القای الکترومغناطیسی

 وقتی جریان DC از یک رسانای مستقیم طویل عبور می‌کند، یک نیروی مغناطیسی و یک میدان مغناطیسی ایستا اطراف آن ایجاد می‌شود.

شکل ۱. سیم‌پیچ توخالی با هسته هوا

  اگر یک سیم به صورت سیم‌پیچ پیچیده شود، یک میدان مغناطیسی ایستا اطراف خود تولید می‌کند که بسیار بزرگ‌تر از میدان مغناطیسی تک سیم است و یک آهنربای میله‌ای با قطب شمال و جنوب معین ایجاد می‌کند.

شار مغناطیسی ایجادشده اطراف سیم‌پیچ متناسب با مقدار جریان درون سیم‌پیچ است. اگر تعداد پیچش‌های یک سیم‌پیچ مشابه با جریان یکسان را افزایش دهیم، قدرت میدان مغناطیسی ایستا افزایش خواهد یافت.

بنابراین، قدرت میدان مغناطیسی یک سیم‌پیچ با آمپر-دور سیم‌پیچ تعیین می‌شود. با افزایش تعداد دورها، قدرت میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ بزرگ‌تر می‌شود.

اما اگر جریان الکتریکی عبوری از سیم‌پیچ را قطع کنیم  و یک آهنربای میله‌ای به جای یک هسته توخالی قرار دهیم با حرکت دادن آهنربای میله‌ای به «درون» و «بیرون» سیم‌پیچ و با حرکت فیزیکی شار مغناطیسی درون آن یک جریان القا خواهدشد.

همچنین، اگر آهنربای میله‌ای را ثابت نگه داریم و سیم‌پیچ را درون میدان مغناطیسی عقب و جلو کنیم، یک جریان الکتریکی در سیم‌پیچ القا خواهدشد. پس با حرکت دادن سیم پیچ یا تغییر میدان مغناطیسی، می‌توانیم یک ولتاژ و جریان درون سیم‌پیچ القا کنیم، این فرآیند به‌عنوان القای الکترومغناطیسی شناخته می‌شود و اساس عملکرد ترانسفورماتورها، موتورها و مولدها است.

القای الکترومغناطیسی ابتدا توسط مایکل فارادی در سال 1830 کشف شد.  فارادی متوجه شد با حرکت دادن یک آهنربای دایمی درون و بیرون یک سیم‌پیچ یا یک حلقه سیم، یک نیروی محرک الکتریکی (Electromotive Force) یا emf در آن القا شد، به‌عبارت دیگر یک ولتاژ، و بنابراین یک جریان تولید شد.

بنابراین آن‌چه مایکل فارادی کشف کرد راهی برای تولید جریان الکتریکی درون یک مدار نه با باتری‌ها بلکه تنها با استفاده از یک نیروی مغناطیسی بود. این کشف منجر به یک قانون بسیار مهم در رابطه با الکتریسیته و مغناطیس یعنی قانون القای الکترومغناطیسی فارادی شد. این قانون چگونه کار می‌کند؟

وقتی آهنربای نشان داده‌شده در شکل زیر به «سمت» سیم‌پیچ حرکت داده‌شود، نشانگر یا عقربه گالوانومتر، که اساسا یک آمپرسنج با سیم‌پیچ متحرک مرکز صفر بسیار حساس است، از مرکز خود تنها در یک جهت منحرف می شود. با توقف حرکت آهنربا و ثابت شدن آن نسبت به سیم‌پیچ، عقربه گالوانومتر به صفر باز می‌گردد زیرا میدان مغناطیسی هیچ حرکت فیزیکی ندارد.

 همچنین، وقتی آهنربا در جهت دیگر از سیم‌پیچ «دور» می‌شود، عقربه گالوانومتر در جهت مخالف نسبت به جهت اول منحرف شده که یک تغییر در قطبیت را نشان می‌دهد. پس با حرکت آهنربا به جلو و عقب نسبت به سیم‌پیچ، با توجه به حرکت جهت‌دار آهنربا عقربه گالوانومتر به چپ یا راست، مثبت یا منفی منحرف خواهدشد.

شکل ۲.القای الکترومغناطیسی با آهنربای متحرک

همچنین، اگر آهنربا ثابت باشد و تنها سیم‌پیچ به آهنربا نزدیک یا از آن دور شود، عقربه گالوانومتر نیز در یکی از جهت ها منحرف می شود. پس با حرکت یک سیم‌پیچ یا تک حلقه از سیم درون یک میدان مغناطیسی ولتاژی در سیم‌پیچ القا می‌شود که دامنه آن متناسب با سرعت یا شتاب حرکت است.

می‌توانیم مشاهده کنیم که با حرکت سریع‌تر میدان مغناطیسی، emf یا ولتاژ القاشده بزرگ‌تر می شود. از این‌رو، برای درستی قانون فارادی باید  «حرکت نسبی» یا حرکتی میان سیم‌پیچ و میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، و میدان مغناطیسی، یا سیم‌پیچ یا هر دو می‌توانند حرکت کنند.

قانون القای فارادی

با توجه به مطالب بالا، بین ولتاژ الکتریکی و میدان مغناطیسی در حال تغییر یک رابطه وجود دارد که توسط قانون مشهور القای الکترومغناطیس فاردای بیان می‌شود: ” هر زمان که حرکت نسبی بین یک رسانا و یک میدان مغناطیسی وجود دارد، یک ولتاژ در مدار الکتریکی القا می‌شود که بزرگی این ولتاژ متناسب با نرخ تغییر شار است”.

به‌عبارت‌دیگر، القای الکترومغناطیسی فرآیند بکارگیری میدان مغناطیسی برای تولید ولتاژ، و دریک مدار بسته، یک جریان است.

مقدار ولتاژی که با استفاده از مغناطیس می تواند به سیم‌پیچ القا شود با سه شاخص زیر تعیین می‌شود.

• افزایش تعداد دورهای سیم‌پیچ- با افزایش تعداد رساناهای مجزا درون میدان مغناطیسی، مقدار emf القایی تولیدشده برابر با مجموع تمام حلقه‌های مجزای درون سیم‌پیچ خواهد بود، بنابراین اگر 20 دور در سیم‌پیچ وجوداشته باشد مقدار emf القاشده 20 برابر مقدار آن در یک تکه از سیم است.
• افزایش سرعت حرکت نسبی بین سیم‌پیچ و آهنربا- اگر سیم‌پیچ مشابه از درون میدان مغناطیسی یکسان عبور داده شود اما سرعت یا شتاب حرکت افزایش یابد، سیم خطوط شار را با سرعت بیش‌تری قطع خواهدکرد بنابراین emf القایی بیش‌تری تولید خواهدشد.
• افزایش قدرت میدان مغناطیسی- اگر سیم‌پیچ یکسان با سرعت یکسان در یک میدان مغناطیسی قوی‌تر حرکت داده شود، emf بیش‌تری تولید خواهدشد زیرا تعداد خطوط نیروی بیش‌تری برای قطع کردن وجود دارد.

اگر آهنربا را به بیرون و درون سیم پیچ با یک سرعت و فاصله ثابت بدون توقف حرکت دهیم، یک ولتاژ القاشده پیوسته تولید شده که بین قطبیت مثبت و قطبیت منفی تغییر می‌کند و یک ولتاژ خروجی متناوب یا جریان متناوب ( AC) تولید می‌کند. این اصل اساسی چگونگی عملکرد یک ژنراتور الکتریکی است که در دینام و  مولد جریان متناوب ماشین بکاربرده می‌شود.

در مولدهای کوچک مثل دینام دوچرخه، یک آهنربای دایمی کوچک  با حرکت چرخ دوچرخه درون یک سیم‌پیچ ثابت چرخیده می‌شود. از سوی دیگر، یک آهنربای الکتریکی که با یک ولتاژ جریان مستقیم (DC) ثابت تغذیه می‌شود می‌تواند درون یک سیم‌پیچ ثابت چرخیده شود، به‌عنوان مثال مولدهای توان بزرگ در هر دو مورد یک جریان متناوب تولید می‌کنند.

مولد ساده با استفاده از القای مغناطیسی

شکل ۳. مولد ساده با استفاده از القای الکترومغناطیسی

βژنراتور نوع دینام ساده شکل بالا شامل یک آهنربای دایمی است که حول یک میله مرکزی با سیم‌پیچ نزدیک به این میدان مغناطیسی چرخشی می چرخد. وقتی آهنربا می‌چرخد، میدان مغناطیسی اطراف ابتدا و انتهای سیم‌پیچ پیوسته بین یک قطب شمال و یک قطب جنوب تغییر می‌کند. این حرکت چرخشی میدان مغناطیسی همانطور که توسط قانون القای مغناطیسی فارادی بیان شد، منجر به یک emf متناوب شده  که به سیم‌پیچ القا می‌شود.

دامنه القای الکترومغناطیسی به‌طور مستقیم متناسب است با چگالی شار، β  تعداد حلقه‌ها که طول کلی رسانا L را برحسب متر بیان می کنند، و سرعت یا شتاب  V  برحسب متر بر ثانیه (m/s) که در آن میدان مغناطیسی درون رسانا تغییر می‌کند و با عبارت emf جنبشی بیان می‌شود:

عبارت emf جنبشی فارادی:

ε=-β.L.V  ولت

اگر رسانا در زاویه نسبت به میدان مغناطیسی حرکت کند درنتیجه زاویه °θ نیز به عبارت بالا افزوده خواهدشد. با افزایش زاویه خروجی کاهش می‌یابد.

ε=-β.L.V.sinθ     ولت    

قانون القای الکترومغناطیسی لِنز

 قانون فارادی بیان می‌کند که با عبور یک رسانا از درون یک میدان مغناطیسی، یا با حرکت دادن میدان مغناطیسی اطراف رسانا ولتاژی در آن القا می شود. اگر رسانا جزیی از یک مدار بسته باشد، یک جریان الکتریکی نیز  انتشار خواهد یافت. این ولتاژ یک emf القایی است که با تغییر میدان مغناطیسی القا می شود. القای الکترومغناطیسی با علامت منفی به ما جهت جریان القایی (یا قطبیت emf القایی) را نشان می دهد.

اما تغییر در شار مغناطیسی جریان متغیری را درون سیم‌پیچ ایجاد می‌کند. این جریان همان‌طور که در آموزش آهنرباهای الکتریکی بیان شد میدان مغناطیسی را ایجاد خواهد کرد. این emf خودالقایی با تغییری که عامل بوجود آورنده آن است، مخالفت می کند. هرچه نرخ تغییر جریان سریع‌تر باشد emf مخالف بزرگ‌تر است. این emf خودالقایی، با توجه به قانون لِنز با تغییر در جریان سیم‌پیچ مخالفت می کند و بخاطر جهت آن، این emf القایی معمولا  emf مخالف نامیده می‌شود.

 قانون لنز بیان می‌کند که:” یک emf القایی همواره در جهتی است که با عامل میدان بوجودآورنده خود مخالفت می‌کند”. به‌عبارت دیگر، یک جریان القایی همواره با حرکت یا تغییر بوجود آورنده خود مخالفت می‌کند و این ایده از تجزیه و تحلیل ظرفیت القای مغناطیسی بدست می‌آید.

علاوه براین، اگر شار مغناطیسی کاهش یابد، emf القایی با ایجاد و القای شار مغناطیسی که به شار اصلی اضافه می‌کند با این کاهش مخالفت می‌کند.

قانون لنز یکی از قوانین اساسی در القای الکترومغناطیسی برای تعیین جهت شارش جریان‌های القایی و مرتبط با قانون بقای انرژی است

براساس قانون بقای انرژی، کل انرژی در جهان همواره ثابت باقی خواهد ماند زیرا انرژی نه می‌تواند بوجود آید و نه از بین برود. قانون لنز ناشی از قانون القای مایکل فارادی است. وقتی یک جنبش نسبی بین یک رسانا و یک میدان مغناطیسی وجود دارد، یک  emf درون رسانا القا می‌شود.

اما رسانا واقعا بخشی از مدار الکتریکی سیم پیچ ها  نیست، اما ممکن است هسته آهنی سیم پیچ ها یا قطعه فلزی دیگری در سیستم باشد، برای مثال یک ترانسفورماتور. emf القایی درون این بخش فلزی سیستم موجب شارش یک جریان  گردشی اطراف آن می شود. این نوع از جریان، به‌عنوان جریان گردابی شناخته می‌شود.

جریان‌های گردابی تولیدشده توسط القای الکترومغناطیسی حول هسته سیم‌پیچ‌ها یا هر مولفه فلزی درون میدان مغناطیسی گردش می‌کنند زیرا آنها برای شار مغناطیسی مانند یک حلقه سیم عمل می‌کنند. جریان‌های گردابی هیچ سودی برای سیستم ندارند اما در عوض با عملکردی مشابه یک نیروی منفی با شارش جریان القایی مخالفت می‌کنند و گرمایش مقاومتی و اتلاف توان را درون هسته ایجاد می‌کنند. با این‌حال، در کوره القای الکترومغنایسی جریان‌های گردابی برای تولید حرارت و ذوب فلزات فرومغناطیسی بکاربرده می‌شوند.

گردش جریان‌های گردابی در یک ترانسفورماتور

شکل ۴. جریان گردابی در یک ترانسفورماتور

شار مغناطیسی متغیر در هسته آهنی ترانسفورماتور بالا یک emf را، نه فقط در سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه بلکه در هسته آهنی القا خواهد کرد. هسته آهنی رسانای خوبی است، بنابراین جریان‌های القاشده در  هسته آهنی یکپارچه بزرگ خواهند شد. علاوه براین، جریان‌های گردابی در جهتی شارش می‌یابند، که طبق قانون لنز، موجب تضعیف شار تولیدشده در سیم‌پیچ اولیه می شود. در نتیجه، جریان مورد نیاز در سیم‌پیچ اولیه برای تولید میدان B  افزایش می‌یابد، و منحنی‌های هیسترزیس در راستای محور H ضخیم‌تر می‌شوند.

شکل ۵.لایه لایه سازی هسته آهنی

جریان گردابی و تلفات هیسترزیس بطور کامل حذف نمی‌شوند، اما می‌توانند بسیار کاهش یابند. بجای یک هسته آهنی یکپارچه به عنوان ماده هسته مغناطیسی ترانسفورماتور یا سیم‌پیچ، مسیر مغناطیسی «لایه لایه» می‌شود.

این لایه‌ها نوارهایی بسیارنازک از فلز عایق‌بند‌ی‌شده (معمولا با عایق لاکی) هستند که برای تولید یک هسته یکپارچه بهم متصل می‌شوند. لایه‌ها مقاومت هسته آهنی را افزایش می‌دهند در نتیجه مقاومت کلی در برابر شارش جریان‌های گردابی افزایش می‌یابد، بنابراین اتلاف توان جریان گردابی القایی در هسته کاهش می‌یابد، و به این دلیل است که هسته آهنی تمامی ترانسفورماتورها و ماشین‌های الکتریکی لایه لایه‌سازی می‌شود.