پدیده القای الکترومغناطیسی پدیده ای است که شامل وقوع یک نیروی حرکتی یا ولتاژ در جسمی واقع در میدان مغناطیسی است که دائماً در حال تغییر است. اگر جسمی در میدان مغناطیسی ایستا و غیر یکنواخت حرکت کند، یا در میدان مغناطیسی بچرخد، نیروی الکتروموتور در نتیجه القای الکترومغناطیسی نیز ایجاد می‌شود.
جریان الکتریکی القایی
در مفهوم "القاء" به معنای ظهور یک فرآیند در نتیجه تأثیر فرآیند دیگر است. به عنوان مثال، می توان جریان الکتریکی را القا کرد، یعنی می تواند در اثر قرار گرفتن یک هادی در معرض یک میدان مغناطیسی به روش خاصی ظاهر شود. چنین جریان الکتریکی القایی نامیده می شود. شرایط تشکیل جریان الکتریکی در نتیجه پدیده القای الکترومغناطیسی در ادامه مقاله مورد بحث قرار گرفته است.
مفهوم میدان مغناطیسی
قبلبرای شروع مطالعه پدیده القای الکترومغناطیسی، لازم است بدانیم میدان مغناطیسی چیست. به عبارت ساده، میدان مغناطیسی ناحیه ای از فضا است که در آن یک ماده مغناطیسی اثرات و خواص مغناطیسی خود را نشان می دهد. این منطقه از فضا را می توان با استفاده از خطوطی به نام خطوط میدان مغناطیسی ترسیم کرد. تعداد این خطوط نشان دهنده یک کمیت فیزیکی به نام شار مغناطیسی است. خطوط میدان مغناطیسی بسته هستند، آنها از قطب شمال آهنربا شروع می شوند و به جنوب ختم می شوند.
میدان مغناطیسی این توانایی را دارد که بر روی هر ماده ای با خاصیت مغناطیسی مانند هادی های آهنی جریان الکتریکی اثر بگذارد. این میدان با القای مغناطیسی مشخص می شود که با B نشان داده می شود و با تسلا (T) اندازه گیری می شود. القای مغناطیسی 1 T یک میدان مغناطیسی بسیار قوی است که با نیروی 1 نیوتن بر روی بار نقطه ای 1 کولن عمل می کند، که عمود بر خطوط میدان مغناطیسی با سرعت 1 متر بر ثانیه، یعنی 1 T پرواز می کند.=1 Ns / (mCl).
چه کسی پدیده القای الکترومغناطیسی را کشف کرد؟
القای الکترومغناطیسی که بسیاری از دستگاه های مدرن بر اساس آن بنا شده اند، در اوایل دهه 30 قرن نوزدهم کشف شد. کشف پدیده القای الکترومغناطیسی معمولاً به مایکل فارادی نسبت داده می شود (تاریخ کشف - 29 اوت 1831). این دانشمند بر اساس نتایج آزمایشات هانس ارستد فیزیکدان و شیمیدان دانمارکی بود که کشف کرد هادی که جریان الکتریکی از طریق آن جریان می یابد، ایجاد می کند.یک میدان مغناطیسی در اطراف خود، یعنی شروع به نشان دادن خواص مغناطیسی می کند.
فارادی به نوبه خود خلاف پدیده کشف شده توسط اورستد را کشف کرد. او متوجه شد که یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، که می تواند با تغییر پارامترهای جریان الکتریکی در هادی ایجاد شود، منجر به ظاهر شدن اختلاف پتانسیل در انتهای هر رسانای جریان می شود. اگر این سرها مثلاً از طریق یک لامپ الکتریکی وصل شوند، جریان الکتریکی از چنین مداری عبور می کند.
در نتیجه، فارادی یک فرآیند فیزیکی را کشف کرد که در نتیجه یک جریان الکتریکی در یک هادی به دلیل تغییر میدان مغناطیسی، که پدیده القای الکترومغناطیسی است، ظاهر می شود. در عین حال، برای تشکیل یک جریان القایی، مهم نیست که چه چیزی حرکت می کند: میدان مغناطیسی یا خود هادی. این را می توان با انجام یک آزمایش مناسب بر روی پدیده القای الکترومغناطیسی به راحتی نشان داد. بنابراین، با قرار دادن آهنربا در داخل مارپیچ فلزی، شروع به حرکت آن می کنیم. اگر انتهای مارپیچ را از طریق نشانگر جریان الکتریکی به مدار متصل کنید، می توانید ظاهر جریان را ببینید. حالا باید آهنربا را به حال خود رها کنید و مارپیچ را نسبت به آهنربا بالا و پایین کنید. نشانگر همچنین وجود جریان در مدار را نشان خواهد داد.
آزمایش فارادی
آزمایشات فارادی شامل کار با هادی و آهنربای دائمی بود. مایکل فارادی برای اولین بار کشف کرد که وقتی هادی در داخل یک میدان مغناطیسی حرکت می کند، اختلاف پتانسیل در انتهای آن ایجاد می شود. هادی متحرک شروع به عبور از خطوط میدان مغناطیسی می کند که شبیه سازی می شودتاثیر تغییر این فیلد.
دانشمند کشف کرد که علائم مثبت و منفی اختلاف پتانسیل حاصل به جهتی که هادی در آن حرکت می کند بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر رسانا در یک میدان مغناطیسی بلند شود، اختلاف پتانسیل حاصل یک قطبیت +- خواهد داشت، اما اگر این هادی کاهش یابد، از قبل یک قطبیت -+ خواهیم داشت. این تغییرات در علامت پتانسیل ها که اختلاف آن ها نیروی الکتروموتور (EMF) نامیده می شود منجر به ظهور جریان متناوب در مدار بسته می شود، یعنی جریانی که دائماً جهت خود را به عکس تغییر می دهد.
ویژگی های القای الکترومغناطیسی کشف شده توسط فارادی
با دانستن اینکه چه کسانی پدیده القای الکترومغناطیسی را کشف کردند و چرا جریان القایی وجود دارد، برخی از ویژگی های این پدیده را توضیح خواهیم داد. بنابراین، هر چه هادی را در میدان مغناطیسی سریعتر حرکت دهید، مقدار جریان القایی در مدار بیشتر می شود. یکی دیگر از ویژگی های این پدیده به شرح زیر است: هر چه القای مغناطیسی میدان بیشتر باشد، یعنی هر چه این میدان قوی تر باشد، اختلاف پتانسیل بیشتری می تواند هنگام حرکت هادی در میدان ایجاد کند. اگر هادی در یک میدان مغناطیسی در حال استراحت باشد، هیچ EMF در آن ایجاد نمی شود، زیرا هیچ تغییری در خطوط القای مغناطیسی که از هادی عبور می کنند، وجود ندارد.
جهت جریان الکتریکی و قانون دست چپ
برای تعیین جهت در هادی جریان الکتریکی ایجاد شده در نتیجه پدیده القای الکترومغناطیسی، می توانیداز قانون به اصطلاح چپ استفاده کنید. می توان آن را به صورت زیر فرمول بندی کرد: اگر دست چپ به گونه ای قرار گیرد که خطوط القای مغناطیسی که از قطب شمال آهنربا شروع می شوند، وارد کف دست شوند و شست بیرون زده در جهت حرکت هادی در سمت راست هدایت شود. میدان آهنربا، سپس چهار انگشت باقی مانده از دست چپ، جهت جریان القایی حرکت در هادی را نشان می دهد.
نسخه دیگری از این قانون وجود دارد، به شرح زیر است: اگر انگشت اشاره دست چپ در امتداد خطوط القای مغناطیسی هدایت شود و شست بیرون زده در جهت هادی باشد، آنگاه چرخش 90 درجه ای انگشت میانی به سمت کف دست نشان دهنده جهت جریان ظاهر شده در هادی است.
پدیده خود القایی
هانس کریستین اورستد وجود میدان مغناطیسی را در اطراف یک هادی یا سیم پیچ با جریان کشف کرد. این دانشمند همچنین دریافت که ویژگی های این میدان ارتباط مستقیمی با قدرت جریان و جهت آن دارد. اگر جریان در سیم پیچ یا هادی متغیر باشد، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که ساکن نخواهد بود، یعنی تغییر می کند. به نوبه خود، این میدان متناوب منجر به ظهور یک جریان القایی (پدیده القای الکترومغناطیسی) خواهد شد. حرکت جریان القایی همیشه بر خلاف جریان متناوب در گردش در هادی خواهد بود، یعنی در برابر هر تغییر جهت جریان در هادی یا سیم پیچ مقاومت می کند. به این فرآیند خود القایی می گویند. اختلاف الکتریکی حاصلپتانسیل را EMF خود القایی می نامند.
توجه داشته باشید که پدیده خودالقایی نه تنها زمانی رخ می دهد که جهت جریان تغییر کند، بلکه زمانی که تغییر می کند، مثلاً در هنگام افزایش به دلیل کاهش مقاومت در مدار، نیز تغییر می کند.
برای توصیف فیزیکی مقاومت اعمال شده توسط هرگونه تغییر در جریان در مدار به دلیل خودالقایی، مفهوم اندوکتانس معرفی شد که در henries (به افتخار فیزیکدان آمریکایی جوزف هنری) اندازه گیری می شود. یک هانری چنین اندوکتانسی است که برای آن، هنگامی که جریان 1 آمپر در 1 ثانیه تغییر می کند، یک EMF در فرآیند خود القایی برابر با 1 ولت ایجاد می شود.
جریان متناوب
زمانی که سلف شروع به چرخش در میدان مغناطیسی می کند، در نتیجه پدیده القای الکترومغناطیسی، جریان القایی ایجاد می کند. این جریان الکتریکی متغیر است، به این معنی که به طور سیستماتیک جهت را تغییر می دهد.
جریان متناوب رایج تر از جریان مستقیم است. بنابراین، بسیاری از دستگاه هایی که از شبکه برق مرکزی کار می کنند از این نوع جریان استفاده می کنند. القاء و انتقال جریان متناوب آسانتر از جریان مستقیم است. به عنوان یک قاعده، فرکانس جریان متناوب خانگی 50-60 هرتز است، یعنی در 1 ثانیه جهت آن 50-60 بار تغییر می کند.
نمایش هندسی جریان متناوب یک منحنی سینوسی است که وابستگی ولتاژ به زمان را توصیف می کند. دوره کامل منحنی سینوسی برای جریان خانگی تقریباً 20 میلی ثانیه است. با توجه به اثر حرارتی، جریان متناوب مشابه جریان استDC، که ولتاژ آن Umax/√2 است، که در آن Umax حداکثر ولتاژ در منحنی سینوسی AC است.
استفاده از القای الکترومغناطیسی در فناوری
کشف پدیده القای الکترومغناطیسی یک رونق واقعی در توسعه فناوری ایجاد کرد. قبل از این کشف، انسان‌ها فقط می‌توانستند در مقادیر محدودی با استفاده از باتری‌های الکتریکی برق تولید کنند.
در حال حاضر، این پدیده فیزیکی در ترانسفورماتورهای الکتریکی، در بخاری هایی که جریان القایی را به گرما تبدیل می کنند، و در موتورهای الکتریکی و ژنراتورهای خودرو استفاده می شود.
