القای الکترومغناطیسی و قانون لنز

در سال ۱۸۲۰ میلادی اورستد٬ دانشمند دانمارکی مشاهده کرد که اطراف سیم حامل جریان می‌توان میدان مغناطیسی را مشاهده کرد. ۱۱ سال بعد یعنی در سال ۱۸۳۱ معکوس این پدیده توسط مایکل فارادی٬ دانشمند انگلیسی مشاهده شد. او پس از آزمایش‌های فراوان مشاهده کرد که با عبور آهن‌ربا از یک پیچه٬ می‌توان جریان الکتریکی در پیچه ایجاد کرد. این پدیده را القای الکترومغناطیسی و جریان تولید شده را جریان الکتریکی القایی می‌گویند.

با تغییر شار مغناطیسی عبوری از سطح حلقه می‌توان جریان الکتریکی القایی در مدار بسته به‌وجود آورد که در ادامه به توضیح آن می‌پردازیم.

شار مغناطیسی:

اگر پیچه‌ای با مساحت مشخص $A$ در یک میدان مغناطیسی $\overrightarrow{B}$ قرار بگیرد٬ خطوط میدان گذرنده از آن سطح را به عنوان شار مغناطیسی می‌توان تعریف کرد. شار مغناطیسی کمیتی نرده‌ای است و برای میدان مغناطیسی یکنواخت $\overrightarrow{B}$ که از پیچه‌ای با مساحت معین $A$ می‌گذرد به صورت زیر تعریف می‌شود:

$\varphi=ABcos\theta$

$\theta$ زاویه بین بردار میدان مغناطیسی و نیم‌خط عمود بر سطح حلقه است.

قانون فارادی:

هرگاه شار مغناطیسی عبوری از سطح یک مدار بسته تغییر کند، نیروی محرکه‌ای در آن مدار بسته القا می‌شود که بزرگی آن با آهنگ تغییر شار مغناطیسی متناسب است. نیروی محرکه القایی متوسط با رابطه زیر بیان می‌شود:

$\overline{\epsilon}=-N\frac{\Delta\varphi}{\Delta t}$

نکته: هرچه تغییرات شار سریعتر انجام شود، نیروی محرکه القایی و در نتیجه جریان القایی تولید شده در مدار؛ بزرگتر خواهد بود.

جریان القایی متوسط در یک پیچه یا سیملوله با مقاومت $R$ از رابطه زیر بدست می‌آید:

$\overline{I}=\frac{\overline{\epsilon}}{R}$

قانون لنز:

پس از آنکه فارادی قانون القای الکترومغناطیس خود را ارا‌ئه داد هاینریش لنز دانشمند روسی روشی را برای تعیین جهت جریان القایی در یک مدار بسته پیشنهاد کرد. طبق قانون لنز جریان حاصل از نیروی محرکه القایی در یک مدار بسته در جهتی است که آثار مغناطیسی ناشی از آن٬ با عامل به‌وجود‌آورنده جریان القایی، یعنی تغییر شار مغناطیسی، مخالفت می‌کند.

علامت منفی در رابطه نیروی محرکه القایی هم نشان‌دهنده همین مخالفت است.

توجه: برای درک بهتر می‌توانید به شبیه‌سازهای قانون القای فارادی مراجعه کنید.

نحوه کار با شبیه ساز

شما می‌توانید از نوار بالا خطوط میدان را انتخاب کنید تا میدان مغناطیسی اطراف آهن‌ربا را مشاهده کنید.

در قسمت تنظیمات دو بخش داریم. یکی در ارتباط با جرم و شکل و دیگری موقعیت و سرعت. بهتر است ابتدا وارد قسمت موقعیت و سرعت بشوید و برای حلقه زاویه صفر درجه را انتخاب کنید و برای آهن‌ربا سرعت ثابت در نظر بگیرید سپس با انتخاب نمای آهسته و با انتخاب دکمه شروع، آهن‌ربا با سرعت ثابت پرتاب می‌شود و از داخل حلقه می‌گذرد. با انتخاب گزینه اثر لنز می‌توانید اثر مغناطیسی جریان القایی در حلقه را هنگام دور و نزدیک شدن آهن‌ربا به حلقه مشاهده کنید. همزمان، با انتخاب نمودار از قسمت بالا می‌توانید نمودار نیروی محرکه القایی در حلقه بر حسب زمان و نمودار شار مغناطیسی گذرنده از سطح حلقه بر حسب زمان را در سمت راست شبیه‌ساز مشاهده کنید.

در ادامه با انتخاب زاویه‌های مثبت و یا منفی برای حلقه، حلقه از امتداد قائم به سمت راست یا چپ منحرف می‌‌شود. سرعت و شتاب آهن‌ربا نیز قابل تغییر است می‌توان تأثیر تغییر این کمیت‌ها را در مقدار شار مغناطیسی گذرنده از حلقه و نیروی محرکه القایی در حلقه با استفاده از نمودارهای رسم شده بررسی کرد.

با رفتن به قسمت جرم و شکل٬ قدرت آهن‌ربا و جرم حلقه را تغییر دهید و نتیجه را بررسی کنید. در این قسمت حلقه با بریدگی را انتخاب کنید. آهن‌ربا را از داخل آن عبور دهید، آیا ایجاد بریدگی در حلقه تأثیری در ایجاد جریان القایی دارد؟

سؤالات: هنگام کار با شبیه‌ساز می‌توانید به پرسش‌های زیر پاسخ دهید.

1) اگر بخواهیم نیروی محرکه القایی بزرگتری در حلقه ایجاد کنیم٬ چه روش‌هایی پیشنهاد می‌کنید؟

2) در این شبیه‌ساز با چه روشی می‌توان شار مغناطیسی گذرنده از سطح حلقه را افزایش داد؟

3) جهت جریان القایی در حلقه، هنگام دور و نزدیک شدن آهن‌ربا چگونه تعیین می‌شود؟

4) موقعیت مکانی آهن‌ربا را که با سرعت $v$ در حرکت است تغییر دهید. این‌بار آهن‌ربا را در مرکز حلقه قرار دهید، در این مدت آیا جریانی در حلقه ایجاد می‌شود؟ چرا؟

5) حرکت آهن‌ربا می‌تواند تندشونده یا کندشونده باشد. هرکدام از این نوع حرکت چه تأثیری بر نیروی محرکه القایی در حلقه دارد؟

6) چرا در این شبیه‌ساز جرم حلقه می‌تواند بر مقدار نیروی محرکه‌القایی حلقه تأثیر بگذارد؟

7) آیا ایجاد بریدگی در حلقه تأثیری در ایجاد جریان القایی دارد؟ (برای پاسخ به این سؤال می‌توانید از قسمت تنظیمات این نوع حلقه را انتخاب کرده و آزمایش را انجام دهید و نتیجه را ببینید.)

توجه: می توانید برای درک عمیق تر به شبیه‌ساز حلقه پران که قبلا در بیازما منتشر شده است مراجعه کنید.