سلام دوستان امیدوارم حالتون عالی باشه. در این مقاله قصد داریم شما را با القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction) آشنا کنیم. 

 در سال 1831 مایکل فارادی (دانشمند بریتانیایی بود و بیشتر کارهایش در زمینه الکتروشیمی بود) قانون معروف خود را به نام القای الکترومغناطیسی ارائه داد. در سال 1832 پس از فارادی، جوزف هنری، دانشمند آمریکایی بود که بر روی یافته های فارادی کار می کرد و کاربردهای عملی القای الکترومغناطیسی را ارائه کرد. اولین بار در اوت 1831، فارادی آزمایشی را برای القای الکترومغناطیسی انجام داد. او برای انجام آزمایش خود 2 سیم و یک حلقه آهن را برداشته، سپس این 2 سیم را در دو طرف حلقه می پیچد. به این ترتیب، او ساختار ترانسفورماتور مانندی را ایجاد کرد.

در پایانه های سیم اول، باتری را وصل کرد و جریان شروع به عبور از آن کرد. سپس گالوانومتر را به پایانه های سیم دیگر وصل کرد، با انحراف در سوزن گالوانومتر مشاهده کرد که در سیم پیچ های ثانویه جریان برقرار شده است. او دریافت که جریان در سیم پیچ دوم به دلیل تغییر شار در آن است. به این روش، فارادی قانون معروف خود را بیان می کند. 

القای الکترومغناطیسی چیست؟

اگر یک هادی در یک میدان مغناطیسی قرار داده شود و آن را در این میدان حرکت دهیم، به دلیل تغییر شار در هادی،  ولتاژی در آن هادی القا می شود که از آن به عنوان القای الکترومغناطیسی یاد می کنیم.

در صورتیکه هادی را در میدان مغناطیسی ثابت نگه داشته، این بار شار میدان مغناطیسی را تغییر دهیم باز هم ولتلژی دو سر هادی القا خواهدشد. 

اگر میدان و هادی هر دو در حالت حرکت باشند، باز هم می توان ولتاژ را در هادی القا کرد.

پس بطور کلی القای الکترومغناطیسی بر اساس قانون فارادی به ما می گوید که تغییر شار در هر ماده رسانا ولتاژی را در آن هادی تولید می کند.

این پدیده تولید ولتاژ امروزه در وسایل و ابزار الکتریکی مانند ترانسفورماتور، موتور الکتریکی و ژنراتورها بسیار رایج است.

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی

قانون فارادی مهمترین قانونی است که القای الکترومغناطیسی را توصیف می کند. 

این قانون توضیح می دهد که اگر هر یک از هادی ها در میدان حرکت می کند یا میدان در حال حرکت باشد، به دلیل تغییر شار در هادی، ولتاژی در هادی القا می شود. مقدار ولتاژ القایی به تغییرات شار بستگی دارد.

EMF =dØ/dt

سه عامل اصلی وجود دارد که میزان ولتاژ القا شده در هادی به آن ها بستگی دارد. 

اگر تعداد دور سیم پیچ رسانا را افزایش دهیم، مساحت حلقه افزایش می یابد، بنابراین تعداد خطوط شار بیشتری از سیم پیچ عبور می کند و مقدار ولتاژ بیشتری در حلقه القا می شود.

اگر سرعت سیم پیچ در میدان افزایش یابد، emf بزرگتری در هادی القا می شود.

اگر حلقه رسانا دارای تعداد دور سیم پیچی و سرعت ثابت باشد آنگاه اگر غلظت میدان مغناطیسی را افزایش دهیم، ولتاژ بیشتری در سیم پیچ القا می شود.

اگر همه این سه عامل را جمع کنیم، معادله نهایی قانون فارادی را به صورت زیر خواهیم داشت.

EMF = N (dø/dt)

در این معادله، N تعداد دور حلقه های سیم پیچ است.

ø شار و واحد آن وبر است و فرمول آن در اینجا آورده شده است.

Ø=BA

B میدان مغناطیسی است.

A مساحت هادی است.

القای الکترومغناطیسی در ژنراتور

اکنون ببینیم که چطور القای الکترومغناطیسی در ژنراتور برای تولید برق دخیل است.

ساده ترین ساختار ژنراتور ac در شکل داده شده ساخته شده است، که شامل آهنربایی است که به شفت متصل می شود و با چرخشش یک میدان دوار ایجاد می کند.

یک حلقه از سیم در نزدیکی آهنربایی که به گالوانومتر متصل است قرار داده شده است.

هنگامی که شفت آهنربا می‌چرخد میدانش با حلقه هادی برخورد کرده و ولتاژی را در آن حلقه القا می‌کند و این شبیه به اصول عملکرد ژنراتور است.


قانون القای الکترومغناطیسی لنز

این قانون توضیح می دهد که میدان الکترومغناطیسی تولید شده در سیم به دلیل تغییر شار دارای جهتی مخالف میدان اولیه است و با هرگونه تغییر در آن مخالفت می کند.

E = -N (dø/dt)

معادله قانون لنز شبیه قانون فارادی است که در آن علامت منفی دارد. این نشان می دهد که میدان مغناطیسی القایی با عامل ایجاد کننده خود در مخالفت است.

به عبارت ساده می توان گفت جریان تولید شده در هادی همیشه در برابر آن عاملی که آن را ایجاد و القا کرده مقاومت می کند. 

این قانون یک قانون اساسی برای یافتن جهت جریان تولید شده در هادی رسانا است و مشابه اصل بقای انرژی است.

گاهی اوقات تولید جریان در اثر القای مغناطیسی مشکلاتی را ایجاد می کند که گویی جریانی که از هادی مد نظر ما می گذرد مربوط به جریان  مدار مورد نظر ما نیست، که در اصل شار جریان عبوری از هادی آن جریان را ایجاد کرده است. به چنین جریان تولید شده نامطلوب، جریان گردابی گفته می شود.

کاربرد القای الکترومغناطیسی

القای الکترومغناطیسی در ژنراتور

اصل کار ژنراتور متناوب به اصل القای الکترومغناطیسی بستگی دارد.

ساده ترین ساختار ژنراتور در شکل داده شده در زیر نشان داده شده است. در شکل می بینید که حلقه ساده سیم در میدان آهنربای میله ای در حال چرخش است.

هنگامی که حلقه در میدان می چرخد، EMF بر اساس پدیده های القای مغناطیسی در حلقه القا می شود.

القای الکترومغناطیسی در ترانسفورماتور

ترانسفورماتور وسیله ای است که برای کم و زیاد کردن سطح ولتاژ استفاده می شود. عملکرد آن به پدیده های القای مغناطیسی بستگی دارد.

هنگامی که میدان مغناطیسی ورودی در سیم پیچ های اولیه ترانسفورماتور به دلیل تغییر شار تولید می شود، جریان در سیم پیچ های ثانویه القا می شود.