القای الکترومغناطیسی 

هنگامی که جریان DC از یک هادی مستقیم طولانی عبور می‌کند، یک نیروی مغناطیس ساز و یک مغناطیسی استاتیک در اطراف آن ایجاد می‌شود.

القای الکترومغناطیسی چیست

اگر سیم سپس به یک سیم پیچ پیچ شود، میدان مغناطیسی بشدت تشدید می یابد و یک میدان مغناطیسی ساکن در اطراف خود تولید می کند و یک شکل آهنربای میله‌ای تشکیل می‌دهد که یک قطب شمال و جنوب متمایز را ارائه می‌دهد.

همانطور که نشان داده شده است، شار مغناطیسی اطراف سیم پیچ متناسب با مقدار جریان موجود در سیم پیچ‌های سیم پیچ است. اگر لایه های اضافی سیم بر روی همان سیم پیچ با جریان یکسان ناشی از آنها پیچیده شود، قدرت میدان مغناطیسی استاتیک افزایش می‌یابد.

بنابراین، قدرت میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با دورهای آمپر سیم پیچ تعیین می‌شود. با چرخش بیشتر سیم در داخل سیم پیچ، مقاومت میدان مغناطیسی استاتیک اطراف آن بیشتر می‌شود.

اما اگر این ایده را با قطع جریان الکتریکی از سیم پیچ معکوس کنیم و به جای یک هسته توخالی، یک آهنربا میله‌ای درون هسته سیم پیچ سیم قرار دهیم، چه می‌شود. با حرکت این آهنربای میله‌ای “به” و “خارج” از سیم پیچ، با حرکت فیزیکی شار مغناطیسی درون آن، یک جریان به سیم پیچ القا می‌شود.

ولتاژ القایی چیست

اگر آهنربا میله‌ای را ثابت نگه داشته و سیم پیچ را در داخل مغناطیسی به عقب و جلو ببریم، یک جریان الکتریکی در سیم پیچ ایجاد می‌شود. سپس با جابجایی سیم یا تغییر میدان مغناطیسی می‌توانیم ولتاژ و جریانی را درون سیم پیچ القا کنیم و این فرآیند تحت عنوان القای الکترومغناطیسی شناخته می‌شود و اصل اساسی عملکرد ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورها است.

القای الکترومغناطیسی اولین بار در سال 1830 توسط مایکل فارادی کشف شد. فارادی متوجه شد که وقتی آهنربائی دائمی را به داخل سیم پیچ یا یک حلقه سیم منتقل می‌کند، باعث ایجاد یک الکتروموتور نیرو یا emf، به عبارت دیگر ولتاژ می‌شود و بنابراین جریان تولید می‌شود.

بنابراین آنچه مایکل فارادی کشف کرد روشی است برای تولید جریان الکتریکی در مدار تنها با استفاده از نیروی میدان مغناطیسی و نه باتری است. سپس این امر منجر به یک قانون بسیار مهم می شود که الکتریسیته را با مغناطیس ارتباط می‌دهد، قانون القای الکترومغناطیسی فارادی. خب این چطور کار می‌کند؟

وقتی آهنربا نشان داده شده در زیر به سمت سیم پیچ حرکت کرد، نشانگر یا سوزن گالوانومتر، که در واقع یک آمپرمتر سیم پیچ متحرک صفر بسیار حساس است، فقط در یک جهت از موقعیت مرکزی خود دور می‌شود. هنگامی که آهنربا از حرکت باز می‌ایستد و از نظر سیم پیچ در حالت ایستاده قرار می‌گیرد، سوزن گالوانومتر به صفر برمی‌گردد زیرا حرکت فیزیکی میدان مغناطیسی وجود ندارد.

به همین ترتیب، هنگامی که آهن ربا از سیم پیچ در جهت دیگر “دور” می‌شود، سوزن گالوانومتر در جهت مخالف از نظر اولین نشان تغییر قطب  دفع می‌کند. سپس با حرکت آهنربا به جلو و عقب به سمت سیم پیچ، سوزن گالوانومتر نسبت به حرکت جهت آهنربا چپ یا راست، مثبت یا منفی می‌شود.

القای الکترومغناطیسی توسط آهنربای متحرک

به همین ترتیب، اگر آهنربا اکنون ثابت مانده باشد و فقط سیم پیچ به سمت آهنربا حرکت کند یا از آن دور شود، سوزن گالوانومتر نیز در هر دو جهت دفع می شود. سپس عمل جابجایی سیم پیچ یا حلقه سیم از طریق یک مغناطیس باعث ایجاد ولتاژ در سیم پیچ می شود که اندازه این ولتاژ القایی متناسب با سرعت یا سرعت حرکت است.

سپس می توانیم ببینیم که هرچه سرعت حرکت میدان مغناطیسی بیشتر باشد، EMF یا ولتاژ ناشی از سیم پیچ بیشتر خواهد بود ، بنابراین برای درست نگه داشتن قانون فارادی باید “حرکت نسبی” یا حرکت بین سیم پیچ و میدان مغناطیسی وجود داشته باشد و سیم پیچ یا میدان مغناطیسی هر دو می توانند حرکت کنند.

قانون القای فارادی

از توضیحات فوق می‌توان گفت که رابطه ای بین ولتاژ الکتریکی و یک میدان مغناطیسی در حال تغییر وجود دارد که به آن قانون معروف القای الکترومغناطیسی مایکل فارادی می‌گوید: “ولتاژ در مدار هر زمان که حرکت نسبی بین یک رسانا و یک میدان مغناطیسی وجود داشته باشد القا می شود و مقدار این ولتاژ متناسب با سرعت تغییر شار است”.

به عبارت دیگر، القای الکترومغناطیسی فرآیند استفاده از میدان‌های مغناطیسی برای تولید ولتاژ و در یک مدار بسته، جریان است. بنابراین چقدر ولتاژ (EMF) را می‌توان فقط با استفاده از مغناطیس به سیم پیچ وارد کرد. خوب این توسط 3 عامل مختلف زیر تعیین می‌شود.

• افزایش تعداد دور سیم‌ها در سیم پیچ – با افزایش مقدار هادی‌های جدا شده از طریق میدان مغناطیسی، مقدار EMF القایی حاصل جمع تمام حلقه‌های منفرد سیم پیچ خواهد بود، بنابراین اگر 20 دور وجود داشته باشد 20 برابر بیشتر emf القایی نسبت به یک قطعه سیم وجود خواهد داشت.
• افزایش سرعت حرکت نسبی بین سیم پیچ و آهنربا – اگر سیم پیچ مشابهی از همان میدان مغناطیسی عبور کند اما سرعت یا سرعت حرکت آن افزایش یابد، سیم خطوط شار را با سرعت بیشتری قطع می‌کند، بنابراین القا بیشتر تولید خواهد شد.
• افزایش مقاومت میدان مغناطیسی – اگر همان سیم پیچ سیم با همان سرعت از طریق یک میدان مغناطیسی قوی تر حرکت کند، EMF بیشتری تولید می‌شود زیرا خطوط نیروی بیشتری برای برش وجود دارد.

اگر بتوانیم آهنربای موجود در نمودار بالا را با سرعت و فاصله ثابت از سیم پیچ و بدون توقف حرکت دهیم، ولتاژ القایی مداوم ایجاد خواهیم کرد که بین یک قطب مثبت و یک قطب منفی متناوب است و یک خروجی متناوب یا AC تولید می‌کند ولتاژ و این اصل اساسی نحوه کار یک ژنراتور الکتریکی مشابه آنچه در دینام و دینام اتومبیل استفاده می‌شود است.

در ژنراتورهای کوچکی مانند دینام دوچرخه، یک آهنربای دائمی کوچک با عملکرد چرخ دوچرخه در داخل یک سیم پیچ ثابت چرخانده می‌شود. متناوباً، می توان یک آهنربای الکتریکی را که از یک ولتاژ DC ثابت تغذیه می‌کند، در داخل یک سیم پیچ ثابت چرخاند، مانند تولیدکننده‌های بزرگ برق که در هر دو حالت جریان متناوب تولید می‌کنند.

ژنراتور ساده با استفاده از القای الکترومغناطیسی

ژنراتور ساده نوع دینام در بالا شامل یک آهنربا دائمی است که با یک سیم پیچ سیم در کنار این میدان مغناطیسی چرخان قرار دارد که، به دور یک شافت مرکزی می‌چرخد. با چرخش آهنربا، میدان مغناطیسی اطراف بالا و پایین سیم پیچ به طور مداوم بین قطب شمال و جنوب تغییر می‌کند. این حرکت چرخشی میدان مغناطیسی منجر به ایجاد یک EMF متناوب به سیم پیچ می‌شود که توسط قانون القای الکترومغناطیسی فارادی ضعیف شده است.

مقدار القای الکترومغناطیسی مستقیماً متناسب با چگالی شار β، تعداد حلقه‌هایی که طول کلی هادی را ارائه می‌دهد “l” در متر و سرعت “ν” که در آن میدان مغناطیسی در هادی بر حسب متر بر ثانیه تغییر می کند یا m / s ،  است که با استفاده از عبارت emfحرکتی زیر ارائه شده است:

رابطه emf متحرک فارادای

[latexpage]

[

varepsilon=-beta.l.v ولت

]

اگر هادی در زاویه های راست (90 درجه) به میدان مغناطیسی حرکت نکند، زاویه θ ° به عبارت فوق اضافه می شود که با افزایش زاویه، خروجی کمتری ارائه می کند:

[latexpage]

[

varepsilon=-beta.l.v.sintheta ولت

]

قانون القای الکترومغناطیسی لنز

قانون فارادی به ما می‌گوید که القای ولتاژ به یک هادی می‌تواند با عبور دادن آن از یک میدان مغناطیسی یا با انتقال میدان مغناطیسی از کنار هادی انجام شود و اگر این هادی بخشی از یک مدار بسته باشد، جریان الکتریکی شارش خواهد کرد. این ولتاژ به دلیل القای الکترومغناطیسی با علامت منفی در قانون فارادی که به ما جهت جریان القایی (یا قطب EMF القا شده) را می‌گوید، توسط یک میدان مغناطیسی متغیر به هادی القا می‌شود.

اما یک شار مغناطیسی در حال تغییر جریان متفاوتی را از طریق سیم پیچ تولید می‌کند که خود میدان مغناطیسی خود را ایجاد می‌کند که در آموزش مغناطیس های الکترومغناطیسی دیدیم. این emf ناشی از خود با تغییری که باعث آن شده مخالف است و هرچه سرعت تغییر جریان سریعتر باشد، emf مخالف بیشتر است. طبق این قانون لنز، این emf ناشی از خود با تغییر جریان در سیم پیچ مخالف خواهد بود و به دلیل جهت آن، این EMF خود القا شده معمولاً back-emf نامیده می‌شود.

قانون لنز اظهار می دارد که: “جهت یک EMF القا شده به گونه ای است که همیشه با تغییر ایجاد کننده آن مخالفت خواهد کرد” . به عبارت دیگر، یک جریان القایی همیشه حرکت یا تغییری را ایجاد می‌کند که جریان القایی را در وهله اول آغاز کرده است و این ایده در تجزیه و تحلیل القایی یافت می‌شود.

به همین ترتیب، اگر شار مغناطیسی کاهش یابد، EMF القا شده با تولید و ایجاد شار مغناطیسی القایی که به شار اصلی اضافه می‌شود، با این کاهش مقابله خواهد کرد.

قانون لنز یکی از قوانین اساسی در القای الکترومغناطیسی برای تعیین جهت شارش جریان القایی است و مربوط به قانون پایستگی در انرژی است.

قانون لنز و القای الکترومغناطیسی

طبق قانون پایستگی در انرژی که می‌گوید مقدار کل انرژی در جهان همیشه ثابت خواهد ماند زیرا انرژی نمی‌تواند ایجاد یا تخریب شود. قانون لنز از قانون استقرائی مایکل فارادی گرفته شده است.

یک نظر نهایی در مورد قانون لنز در مورد القای الکترومغناطیسی. اکنون می‌دانیم که وقتی یک حرکت نسبی بین یک رسانا و یک میدان مغناطیسی وجود دارد، یک EMF درون هادی القا می‌شود.

اما هادی ممکن است در واقع بخشی از مدار الکتریکی سیم پیچها نباشد، اما ممکن است هسته آهنی سیم پیچ ها یا برخی از قسمت های فلزی دیگر سیستم باشد، به عنوان مثال یک ترانسفورماتور. EMF القا شده در داخل این قسمت فلزی سیستم باعث می‌شود که جریان گردشی در اطراف آن وجود داشته باشد و این نوع جریان هسته ای به عنوان جریان گردابی شناخته می‌شود.

جریان های گردابی تولید شده توسط القای الکترومغناطیسی در اطراف هسته سیم پیچ یا هر یک از اجزای فلزی متصل در داخل مغناطیسی گردش می‌کنند زیرا برای شار مغناطیسی مانند یک حلقه سیم عمل می‌کنند. جریان‌های گردابه هیچ کمکی به سودمندی سیستم نمی کنند اما در عوض با عملکرد جریان القایی مخالفت می‌کنند و مانند یک نیروی منفی تولید گرمای مقاومتی و اتلاف قدرت در هسته عمل می‌کنند. با این حال، برنامه‌های کوره القایی الکترومغناطیسی وجود دارد که در آنها فقط جریان‌های گردابی برای گرم کردن و ذوب فلزات فرو مغناطیسی استفاده می‌شود.

گردش جریان های گردابی در ترانسفورماتور

تغییر شار مغناطیسی در هسته آهن یک ترانسفورماتور فوق نه تنها در سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه ، بلکه همچنین در هسته آهن باعث ایجاد یک EMF می‌شود. هسته آهن رسانای خوبی است، بنابراین جریانهای القایی در یک هسته آهن جامد زیاد خواهد بود. علاوه بر این، جریان‌های گردابی در جهتی جریان می یابند که طبق قانون لنز، برای تضعیف شار ایجاد شده توسط سیم پیچ اولیه عمل می‌کند. در نتیجه، جریان سیم پیچ اولیه مورد نیاز برای تولید یک فلز خاص افزایش می یابد، بنابراین منحنی‌های هیسرزیست در محور H چاق‌تر هستند.

جریان گردابی و از بین رفتن هیسترزیس را نمی‌توان به طور کامل از بین برد، اما می‌توان آنها را بسیار کاهش داد. به جای داشتن یک هسته آهن جامد به عنوان ماده مغناطیسی ترانسفورماتور یا سیم پیچ ، مسیر مغناطیسی “ورقه ورقه(لمینت)” است.

این ورقه‌ها نوارهای بسیار نازکی از فلز عایق بندی شده (معمولاً با لاک الکل) هستند که به هم متصل شده و یک هسته جامد تولید می‌کنند. ورقه ها مقاومت هسته آهن را افزایش می‌دهند در نتیجه مقاومت کلی در برابر فشار جریان‌های گردشی را افزایش می‌دهند، بنابراین شارش جریان گردابی ناشی از هسته کاهش می‌یابد و به همین دلیل است که مدار آهنربا مغناطیسی ترانسفورماتورها و برق ماشین آلات همه روکش دار هستند.