القای الکترومغناطیسی

القای الکترومغناطیسی یعنی هنگامی که یک جریان DC از یک هادی مستقیم طولانی عبور می کند، یک نیروی مغناطیسی و یک میدان مغناطیسی ساکن در اطراف آن ایجاد می شود.

اگر سیم به یک سیم پیچ پیچیده شود، میدان مغناطیسی به شدت تشدید می شود و یک میدان مغناطیسی ساکن در اطراف خود ایجاد می کند که شکل آهنربای میله ای را ایجاد می کند که قطب شمال و جنوب مشخصی را ایجاد می کند.

شار مغناطیسی در اطراف سیم پیچ متناسب با مقدار جریانی است که در سیم پیچ جریان دارد.

اگر لایه های اضافی سیم روی سیم پیچ یکسانی با جریان مشابهی که از آنها می گذرد پیچیده شود، قدرت میدان مغناطیسی ساکن افزایش می یابد.

بنابراین، شدت میدان مغناطیسی یک سیم‌پیچ با چرخش آمپر سیم پیچ تعیین می‌شود.

با چرخش های بیشتر سیم در داخل سیم پیچ، قدرت میدان مغناطیسی ساکن اطراف آن بیشتر می شود.

اما چه می شود اگر این ایده را با قطع جریان الکتریکی از سیم پیچ برعکس کنیم و به جای یک هسته توخالی، یک آهنربای میله ای را در داخل هسته سیم پیچ قرار دهیم.

با حرکت دادن این آهنربای میله ای به داخل و خارج از سیم پیچ، با حرکت فیزیکی شار مغناطیسی درون سیم پیچ، جریانی به سیم پیچ القا میشه.

به همین ترتیب:

اگر آهنربای‌میله‌ای را ثابت‌نگه‌داریم و سیم‌پیچ را به‌جلو و عقب در میدان‌مغناطیسی حرکت‌دهیم، ‌جریان‌الکتریکی در سیم‌پیچ القا میشود.

سپس با حرکت سیم یا تغییر میدان مغناطیسی می توان ولتاژ و جریانی را در سیم پیچ القا کرد و این فرآیند

به القای الکترومغناطیسی معروف است و اصل اساسی کار ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورها است.

القای الکترومغناطیسی برای اولین بار در سال 1830 توسط مایکل فارادی کشف شد.

فارادی متوجه شد که وقتی یک آهنربای دائمی را به داخل و خارج از یک سیم پیچ یا یک حلقه سیم تکان می دهد،

نیروی محرکه الکتریکی یا emf، به عبارت دیگر ولتاژ را القا می کند و بنابراین جریانی تولید می شود.

بنابراین چیزی که مایکل فارادی کشف کرد روشی برای تولید جریان الکتریکی در مدار با استفاده از نیروی میدان مغناطیسی و نه باتری ها بود.

این امر منجر به قانون بسیار مهمی می شود که الکتریسیته را با مغناطیس مرتبط می کند،

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی

خب القای الکترومغناطیسی چطور کار میکند؟

هنگامی که آهنربای نشان داده شده در زیر “به سمت” سیم پیچ حرکت می کند، اشاره گر یا سوزن گالوانومتر،

که اساسا یک آمپرمتر سیم پیچ متحرک با مرکز صفر بسیار حساس است، از موقعیت مرکزی خود فقط در یک جهت منحرف می شود.

هنگامی که آهنربا از حرکت باز می ایستد و با توجه به سیم پیچ ثابت می ماند، سوزن گالوانومتر به صفر برمی گردد

زیرا هیچ حرکت فیزیکی میدان مغناطیسی وجود ندارد.

به همین ترتیب، هنگامی که آهنربا از سیم پیچ در جهت دیگر “دور” می شود، سوزن گالوانومتر در جهت مخالف

منحرف می شود که نشان دهنده تغییر قطبیت است. سپس با حرکت آهنربا به سمت جلو و عقب به سمت

سیم پیچ، سوزن گالوانومتر نسبت به حرکت جهتی آهنربا به چپ یا راست، مثبت یا منفی منحرف می شود.

القای الکترومغناطیسی توسط یک آهنربای متحرک

به همین ترتیب، اگر آهنربا اکنون ثابت نگه داشته شود و فقط سیم پیچ به سمت آهنربا یا از آن دور شود، سوزن گالوانومتر نیز در هر دو جهت منحرف می شود.

سپس حرکت یک سیم پیچ یا حلقه سیم در یک میدان مغناطیسی ولتاژی را در سیم پیچ القا می کند که بزرگی این ولتاژ القایی متناسب با سرعت یا سرعت حرکت است.

سپس می‌توانیم ببینیم که هر چه حرکت میدان مغناطیسی سریع‌تر باشد، emf یا ولتاژ القایی در سیم‌پیچ بیشتر می‌شود،

بنابراین برای اینکه قانون فارادی صادق باشد، باید «حرکت نسبی» یا حرکت بین سیم‌پیچ و میدان مغناطیسی وجود داشته باشد.

میدان مغناطیسی، سیم پیچ یا هر دو می توانند حرکت کنند.

قانون القای فارادی

از توضیحات بالا می توان گفت که رابطه ای بین ولتاژ الکتریکی و میدان مغناطیسی در حال تغییر وجود دارد

که قانون معروف القای الکترومغناطیسی مایکل فارادی به آن می گوید: «هرگاه حرکت نسبی بین هادی و

مغناطیسی وجود داشته باشد ولتاژی در مدار القا می شود  و اینکه بزرگی این ولتاژ متناسب با نرخ تغییر شار است.

به عبارت دیگر، القای الکترومغناطیسی فرآیند استفاده از میدان های مغناطیسی برای تولید ولتاژ و در مدار بسته، جریان است.

بنابراین چه مقدار ولتاژ (emf) را می توان با استفاده از مغناطیس به سیم پیچ القا کرد.

خوب این توسط 3 عامل مختلف زیر تعیین می شود.

• افزایش تعداد چرخش سیم در سیم پیچ = با افزایش مقدار رساناهایی که میدان مغناطیسی را برش می دهند، مقدار emf القایی تولید شده، مجموع تمام حلقه های مجزای سیم پیچ خواهد بود، بنابراین اگر 20 دور سیم پیچ وجود داشته باشد. سیم پیچ 20 برابر بیشتر از یک تکه سیم القایی emf دارد.
• افزایش سرعت حرکت نسبی بین سیم پیچ و آهنربا = اگر سیم پیچ یکسانی از میدان مغناطیسی مشابهی عبور کند اما سرعت یا سرعت آن افزایش یابد، سیم خطوط شار را با سرعت بیشتری قطع می کند تا emf القایی بیشتری داشته باشد. تولید خواهد شد.
• افزایش قدرت میدان مغناطیسی – اگر سیم پیچ یکسانی با همان سرعت در یک میدان مغناطیسی قوی‌تر حرکت کند، emf بیشتری تولید می‌شود زیرا خطوط نیروی بیشتری برای برش وجود دارد.

اگر بتوانیم آهنربا را در نمودار بالا به داخل و خارج از سیم پیچ با سرعت و فاصله ثابت بدون توقف حرکت دهیم،

یک ولتاژ القایی پیوسته تولید می کنیم که متناوب بین یک قطب مثبت و یک قطب منفی است که خروجی متناوب یا متناوب تولید می کند. ولتاژ و این اصل اساسی نحوه عملکرد یک ژنراتور الکتریکی مشابه آنچه در دینام و دینام خودرو استفاده می شود است.

در ژنراتورهای کوچک مانند دینام دوچرخه، یک آهنربای دائمی کوچک با حرکت چرخ دوچرخه در داخل یک سیم پیچ ثابت می چرخد. متناوباً، یک آهنربای الکتریکی که توسط یک ولتاژ DC ثابت تغذیه می‌شود، می‌تواند در داخل یک سیم پیچ ثابت بچرخد، مانند ژنراتورهای بزرگ برق که در هر دو مورد جریان متناوب تولید می‌کنند.

ژنراتور ساده با استفاده از القای الکترومغناطیسی

ژنراتور ساده از نوع دینام در بالا از یک آهنربای دائمی تشکیل شده است که در اطراف یک محور مرکزی با سیم پیچی که در کنار این میدان مغناطیسی دوار قرار گرفته است، می چرخد.

همانطور که آهنربا می چرخد، میدان مغناطیسی اطراف بالا و پایین سیم پیچ به طور مداوم بین قطب شمال و جنوب تغییر می کند.

این حرکت چرخشی میدان مغناطیسی منجر به القای یک emf متناوب به سیم پیچ می شود که توسط قانون القای الکترومغناطیسی فارادی تعریف شده است.

بزرگی القای الکترومغناطیسی مستقیماً با چگالی شار متناسب است، β تعداد حلقه‌هایی است که طول کل رسانا، l بر حسب متر و سرعت یا سرعت، ν که در آن میدان مغناطیسی درون هادی بر حسب متر/ثانیه تغییر می‌کند.

یا m/s، با عبارت emf حرکتی:

عبارت Emf حرکتی فارادی

اگر هادی در زوایای قائم (90 درجه) نسبت به میدان مغناطیسی حرکت نکند، زاویه θ° به عبارت فوق اضافه می‌شود و با افزایش زاویه خروجی کاهش می‌یابد:

قانون القای الکترومغناطیسی لنز

قانون فارادی به ما می گوید که القای ولتاژ به هادی را می توان با عبور از میدان مغناطیسی یا با حرکت میدان مغناطیسی

از کنار هادی انجام داد و اگر این رسانا بخشی از یک مدار بسته باشد، جریان الکتریکی جریان میابد.

این ولتاژ را emf القایی می نامند زیرا توسط یک میدان مغناطیسی در حال تغییر به دلیل القای الکترومغناطیسی با

علامت منفی در قانون فارادی که جهت جریان القایی (یا قطبیت emf القایی) را به ما می گوید، به هادی القا شده است.

اما یک شار مغناطیسی در حال تغییر جریان متغیری را از طریق سیم پیچ تولید می کند که خود میدان مغناطیسی خود را همانطور که در آموزش الکترومغناطیس دیدیم تولید می کند.

این emf خود القا شده با تغییری که باعث آن می شود مخالف است و هر چه سرعت تغییر جریان سریعتر باشد، emf مخالف بیشتر است.

این emf خود القا شده، طبق قانون لنز با تغییر جریان در سیم‌پیچ مخالفت می‌کند و به دلیل جهت آن، این EMF خودالقا شده عموماً به‌عنوان back-emf نامیده می‌شود.

قانون لنز بیان می کند که:

“جهت یک emf القایی به گونه ای است که همیشه با تغییری که باعث آن می شود مخالف است”.

به عبارت دیگر، یک جریان القایی همیشه با حرکت یا تغییری که جریان القایی را در وهله اول شروع کرده است مخالف است و این ایده در تحلیل اندوکتانس یافت می شود.

به همین ترتیب، اگر شار مغناطیسی کاهش یابد، emf القایی با تولید و شار مغناطیسی القایی که به شار اصلی اضافه می‌کند، با این کاهش مقابله می‌کند.

قانون لنز یکی از قوانین اساسی در القای الکترومغناطیسی برای تعیین جهت جریان جریان های القایی است و با قانون بقای انرژی مرتبط است.

طبق قانون بقای انرژی که می گوید:

مقدار کل انرژی در کیهان همیشه ثابت می ماند زیرا انرژی نمی تواند ایجاد شود و یا از بین برود.

قانون لنز از قانون القای مایکل فارادی استنباط گردیده.

آخرین نظر در مورد قانون لنز در مورد القای الکترومغناطیسی. اکنون می دانیم که وقتی یک حرکت نسبی بین یک هادی و یک میدان مغناطیسی وجود دارد، یک emf در هادی القا می شود.

اما هادی ممکن است در واقع بخشی از مدار الکتریکی سیم پیچ ها نباشد، اما ممکن است هسته آهنی سیم پیچ ها یا بخشی فلزی دیگر از سیستم، به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور باشد.

emf القایی در این قسمت فلزی سیستم باعث می شود که یک جریان در گردش در اطراف آن جریان یابد و این نوع جریان هسته به عنوان جریان گردابی شناخته می شود.

جریان‌های گردابی تولید‌شده توسط القای الکترومغناطیسی در اطراف هسته سیم پیچ ها یا اجزای فلزی‌متصل‌کننده

در داخل میدان مغناطیسی به گردش در می آیند زیرا برای شار مغناطیسی مانند یک حلقه سیم عمل می کنند.

جریان های گردابی هیچ کمکی به سودمندی سیستم نمی کنند، اما در عوض با عمل کردن مانند یک نیروی منفی

که گرمایش مقاومتی و اتلاف توان را در هسته ایجاد می کند، با جریان جریان القایی مخالفت می کنند.

با این حال، کاربردهای کوره های القایی الکترومغناطیسی وجود دارد که در آنها فقط از جریان های گردابی برای گرم کردن و ذوب فلزات فرومغناطیسی استفاده می شود.

جریان های گردابی در یک ترانسفورماتور در حال گردش هستند

تغییر شار مغناطیسی در هسته آهنی ترانسفورماتور بالا نه تنها در سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، بلکه در هسته آهنی نیز باعث القای یک emf می‌شود.

هسته آهنی رسانای خوبی است، بنابراین جریان القا شده در یک هسته آهن جامد زیاد خواهد بود.

علاوه‌بر‌این، جریان‌های گردابی در‌جهتی جریان می‌یابند که طبق قانون لنز، شار ایجاد‌شده توسط سیم پیچ اولیه را تضعیف می‌کند.

در نتیجه:

جریان در سیم پیچ اولیه مورد نیاز برای تولید یک میدان B معین افزایش می‌یابد، بنابراین منحنی‌های پسماند در امتداد محور H چاق‌تر هستند.

تلفات جریان گردابی و هیسترزیس را نمی توان به طور کامل از بین برد، اما می توان آنها را تا حد زیادی کاهش داد.

به جای داشتن یک هسته آهنی جامد به عنوان مواد هسته مغناطیسی ترانسفورماتور یا سیم پیچ، مسیر مغناطیسی “لامینیت” می شود.

این ورقه‌ها نوارهای بسیار نازکی از فلز عایق‌شده (معمولاً با لاک) هستند که برای تولید یک هسته جامد به یکدیگر متصل شده‌اند.

ورقه ورقه ها مقاومت هسته آهنی را افزایش می دهند و در نتیجه مقاومت کلی در برابر جریان های گردابی را افزایش می دهند،

بنابراین تلفات برق جریان گردابی القایی در هسته کاهش می یابد و به همین دلیل است که مدار آهن مغناطیسی ترانسفورماتورها و ماشین های برقی همگی لمینت هستند.

 

آموزش قبلی : هیسترزیس مغناطیسی

منبع : کلیک