دسته‌ها
القای الکترومغناطیسی الکترومغناطیس فیزیک سوم دبیرستان فیزیک یازدهم

القاگرها

همانطوری که در میدان الکتریکی ایجاد شده در فضای بین صفحات خازن، می توان انرژی ذخیره کرد، در میدان مغناطیسی القاگرها (سیم پیچ) می توان انرژی ذخیره کرد. القاگر مانند خازن و مقاومت یکی از اجزای ضروری مدارهای الکترونیکی است. چند نمونه از القاگر را در تصویر بالا می توانید مشاهده کنید.

خود-القاوری

در مدار شکل زیر، منبع نیروی محرکه و رئوستا و آمپرسنج و القاگری به طور متوالی به یکدیگر بسته شده اند. در صورتی که تغییری در مقاومت رئوستا ایجاد کنیم، در القاگر به سبب تغییر جریان و در نتیجه تغییر شار مغناطیسی، جریان القا می شود که با جریان اصلی مدار طبق قانون لنز، مخالفت می کند. به طور مثال اگر مقاومت رئوستا را کاهش دهیم، جریان مدار افزایش می یابد و جریان القایی در القاگر خلاف جریان اصلی می شود تا جریان کل کاهش یابد. و اگر جریان مدار را افزایش دهیم، جریان القایی در القاگر هم جهت با جریان اصلی خواهد بود تا جریان کل افزای یابد.  این پدیدهکه می تواند در هر القاگری از قبیل پیچه یا سیملوله رخ دهد اثر خود-القاوری نامیده می شود.

ph11 s4 inductor02 القاگرها

با استفاده از لامپ نئون (لامپ فازمتری)، القاگر(۱۰۰۰ دور یا بالاتر)، باتری قلمی (۲ عدد) یا باتری ۹ ولتی، سیم رابط و کلید مداری به صورت شکل زیر می بندیم.

ph11 s4 inductor03 القاگرها

با وصل کردن کلید، جریان از سمت چپ وارد القاگر و لامپ می شود و لامپ روشن می شود.در ابتدا چون جریان در القاگر در حال افزایش است، نیروی محرکه ای در آن القا می شود که جریانی خلاف جریان اصلی در آن القا می کند و موجب کم شدن سرعت افزایش جریان در القاگر می شود. و جریان بیشتری از لامپ می گذرد، تا زمانی که دیگر تغییر جریان در القاگر نداشته باشیم و جریان القایی صفر شود و القاگر بیشینه انرژی را در خود ذخیره کرده باشد. در این حالت با فرض آرمانی بودن القاگر ( کم بودن مقاومت القاگر در برابر لامپ) جریان فقط از القاگر می گذرد و لامپ خاموش می شود. اگر در این حالت که لامپ خاموش است، کلید را قطع کنیم، باتری از مدار حذف می شود ولی القاگر انرژی ذخیره شده در خود را در مدار القا می کند و لامپ را برای مدتی (تا زمانی که همه انرژی القاگر تخلیه شود) روشن نگه می دارد.

توضیح آزمایش بالا را در ویدیو زیر مشاهده کنید.

تعیین جهت جریان خود-القاوری در القاگرها

حالت اول: اگر جریان در القاگر رو به افزایش باشد، جریان خودالقایی در خلاف جهت جریان اصلی است.

حالت دوم: اگر جریان در القاگر رو به کاهش باشد، جریان خودالقایی در جهت جریان اصلی است.

ضریب القاوری القاگرها (مخصوص رشته ریاضی و فیزیک)

ویژگی های فیزیکی هر القاگر، توسط ضریب القاوری آن تعیین می شود. ضریب القاوری که با نماد L نمایش داده می شود به عواملی همچون تعداد دور، طولو سطح مقطع القاگر و جنس هسته ای که داخل آن قرار می گیرد بستگی دارد. برای مثال، ضریب القاوری سیملوله آرمانی از رابطه زیر بدست می آید.

ph11 s4 inductor04 القاگرها

در این رابطه l نشان دهنده طول سیملوله، k ضریب هسته سیملوله (بدون هسته ۱ در نظر گرفته می شود)، A سطح مقطع سیملوله و N تعداد دور سیملوله است.

یکای ضریب القاوری در SI ، اهم ثانیه (Ω.s) است که به احترام جوزف هانری، هانری نامیده و با نماد H نشان داده می شود.

مثال ۱: ضریب القاوری سیملوله آرمانی بدون هسته ای به طول ۶۲٫۸ سانتی متر و سطح مقطع ۱۰ سانتی متر مربع را پیدا کنید که شامل ۲۰۰۰ حلقه نزدیک به هم است.

پاسخ مثال ۱:

ph11 s4 inductor05 القاگرها

مثال ۲: تعداد حلقه های سیملوله ای بدون هسته، به طول ۲٫۸ سانتی متر و سطح ۱۰ سانتی متر مربع چه تعداد باشد، تا ضریب القاوری آن ۱ هانری شود؟

ph11 s4 inductor06 القاگرها

انرژی ذخیره شده در القاگرها

وقتی توسط باتری جریانی در القاگر برقرار شود، مولد به القاگر انرژی می دهد. بخشی از این انرژی در مقاومت الکتریکی سیم های القاگر به صورت گرما تلف و بقیه آن در میدان مغناطیسی القاگر ذخیره می شود. مقدار انرژی ذخیره شده در میدان القاگر با ضریب القاوری L ، از رابطه زیر بدست می آید.

ph11 s4 inductor07 القاگرها

لازم است رفتار مقاومت و القاگرها را به لحاظ انرژی اشتباه نگیرید. چه چریان پایا باشد و چه متغیر، انرژی در مقاومت به انرژی گرمایی تبدیل می شود. ولی در یک القاگر آرمانی (مقاومت صفر) تنها وقتی انرژی وارد القاگر می شود که جریان در آن افزایش یابد. این انرژی تلف نمی شود. بلکه در میدان مغناطیسی القاگر ذخیره شده و هنگام کاهش جریان، آزاد می شود. در صورتی که جریانی که از القاگر آرمانی می گذرد، پایا باشد نه به آن انرژی وارد می شود و نه از آن خارج می شود.

مثال ۳: در صورتی که از القاگری به ضریب القاوری ۲۰ میلی هانری، جریان ۳ آمپر بگذرد، انرژی ذخیره شده درالقاگر را حساب کنید.

ph11 s4 inductor10 القاگرها

القای متقابل (مخصوص رشته ریاضی و فیزیک)

در شکل زیر آزمایش ساده ای را برای بررسی اثر القای متقابل نشان داده ایم. جریان عبوری از پیچه ۱ ، میدان مغناطیسی B را بوجود می آورد. این میدان، شار مغناطیسی ای را از پیچه ۲ می گذراند که در مجاورت آن قرار دارد. با تغییر دادن مقاومت رئوستا و تغییر جریان در پیچه ۱، میدان مغناطیسی پیچه ۱ و در نتیجه شار عبوری از پیچه ۲ نیز تغییر می کند.

ph11 s4 inductor09 1 القاگرها

بنابر قانون فاراده، این تغییر شار، نیروی محرکه ای را در پیچه ۲ القا می کند که به ایجاد جریان القایی در این پیچه می انجامد. همچنین تغییر جریان در پیچه ۲، سبب ایجاد نیروی محرکه القایی در پیچه ۱ می شود. این فرایند، القای متقابل نامیده می وشد و به کمک آن می توان انرژی را از یک پیچه، به پیچه دیگر منتقل کرد.

همچنین این اثر ممکن است در برخی از مدارهای الکتریکی مزاحمت ایجاد کند. از اینرو سعی می شود تا القاگر های مجاور را به طور عمود بر یکدیگر قرار دهند. در این صورت اثر القای متقابل تا حد ممکن کوچک می شود.

کاربرد القاگرها

برخورد آذرخش به بخشی از یک سامانه انتقال توان الکتریکی موجب افزایش ناگهانی ولتاژ می شود که می تواند به اجزای سامانه و هر چیز دیگری که به آن وصل باشد (برای مثال، وسیله های برقی خانگی) آسیب برساند. برای کمینه کردن این آثار، القاگرهای بزرگی را در مسیر سامانه انتقال قرار می دهند. این کار باعث می شود که القاگر ها با هر تغییر سریع در جریان مخالفت کند و آن را فرو نشاند.

در لامپ های فلوئورسان، جریان الکتریکی از گاز رقیقی که فضای درون لامپ را پر کرده است می گذرد و گاز را یونیده و به پلاسما تبدیل می کند. پلاسما یک رسانای غیر اهمی است و هر چه بیشتر یونیده شود مقاومت آن کمتر می شود. اگر ولتاژ به حد کافی بالایی به گاز اعمال شود، جریان می تواند بسیار زیاد شود و به مدار بیرونی لامپ آسیب برساند. برای جلوگیری از این مسئله ، یک القاگر را به طور متوالی با لامپ فلوئورسان می بندند تا مانع افزایش زیاد جریان شود. متعادل کننده(القاگرها) همچنین باعث می شود تا لامپ با جریان متناوب کار کند.

انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی نقش موثری در دستگاه های احتراق خودروهای با موتور بنزینی دارد. پیچه اولیه با حدود ۲۵۰ دور به باتری خودرو بسته شده است و میدان مغناطیسی قوی ای تولید می کند. این پیچه، درون یک پیچه ثانویه با ۲۵۰۰ دور سیم خیلی نازک قرار گرفته است. برای جرقه زدن شمع، جریان در پیچه اولیه قطع می شود و میدان مغناطیسی به سرعت به صفر می رسد و نیروی محرکه الکتریکی ده ها هزار ولتی در پیچه ثانویه القا می کند. در نتیجه انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی همراه  با جریانی لحظه ای از پیچه ثانویه به طرف شمع می رود و جرقه ای تولید می کند که سبب احتراق مخلوط سوخت و هوا در سیلندر های موتور می شود.

دانلود جزوه PDF مطالب بالا



کبیری

از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *