فیزیک یازدهم : القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب
آشنایی با مفاهیم القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب در فیزیک یازدهم ، فیزیک سوم تجربی و ریاضی
یکی از مباحث اصلی در کتاب های فیزیک یازدهم تجربی و ریاضی ، فیزیک سوم تجربی و ریاضی ، کنکور رشته تجربی و کنکور رشته ریاضی ، مبحث القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب است.
در این مقاله هدف این است که در حد نیاز فیزیک یازدهم ؛ فیزیک سوم تجربی ، فیزیک ۳ ریاضی ، داوطلبان کنکور رشته ریاضی و کنکور رشته تجربی این مبحث را معرفی کنیم.
البته مطالب این مقاله و فیلمهای موجود در آن با وجود سطح پایین بودن مطالب و فیلم ها ، می توانند پیش زمینه خوبی برای دانشجویان رشته مهندسی برق و فیزیک باشند.
در دو ویدئوی پایانی درس می توانید جواب پرسش های فیزیک سوم تجربی ، ریاضی و فیزیک یازدهم و جواب تمرین های فیزیک ۳ تجربی ، ریاضی و فیزیک یازدهم را ببینید.
فیزیک ۳ ریاضی و تجربی – درس اول : القای الکترومغناطیسی
فیزیک یازدهم : القای الکترومغناطیسی
در اثر اعمال میدان مغناطیسی در یک رسانا ، در آن جریان الکتریکی القا می شود. به این پدیده القای الکترومغناطیسی می گویند. در این مقاله به دنبال این هستیم که نحوه تولید جریان الکتریکی متناوب را درک کنیم.
قبل از همه با یک آزمایش ساده نحوه ایجاد القای الکترومغناطیسی را بررسی می کنیم.
آزمایش
وسایل مورد نیاز : یک میلی آمپرسنج خیلی حساس ، یک آهنربای میله ای ، یک سیملوله یا پیچه ، قدری سیم رابط.
قبل از هر چیز باید دو سر سیملوله را به وسیله سیم های رابط به میلی آمپرسنج وصل نمود (شکل فوق).
مرحله ی اول : قطب N آهنربای میله ای را به سیملوله نزدیک می کنیم ، عقربه ی آمپرسنج به یک طرف منحرف خواهد شد. این نشان می دهد با نزدیک شدن قطب N ، در سیملوله جریان الکتریکی ضعیفی القا شده است.
مرحله ی دوم : قطب S آهنربا را به سیملوله نزدیک می کنیم . این بار عقربه در جهت مخالف منحرف می شود.
مرحله ی سوم : قطب S آهنربا را در دهانه ی سیملوله ثابت نگه داشته و سیملوله را کم کم از آهنربا دور می کنیم. با دور کردن تدریجی آهنربا جریان القایی ضعیف و ضعیف تر می شود .
نتیجه : با تغییر وضعیت آهنربا و سیملوله نسبت به هم ، در سیملوله یک جریان الکتریکی القا می شود. به این پدیده القای الکترومغناطیسی و به جریان الکتریکی تولید شده به این روش ، جریان الکتریکی القایی می گوییم.
تغییر اندازه ی میدان مغناطیسی در محل یک مدار بسته ، باعث القای جریان الکتریکی در آن مدار می شود.
روش های القای جریان الکتریکی در پیچه
عاملی که در بالا باعث القای الکترومغناطیسی گردید تغییر میدان مغناطیسی بود. سایر عوامل این ها هستند:
تغییر میدان مغناطیسی در حلقه ، تغییر مساحت حلقه ، تغییر زاویه ی بین سطح حلقه و جهت میدان مغناطیسی
رشته مهندسی برق – درس دوم: شار مغناطیسی
فیزیک یازدهم – شار مغناطیسی
در بالا گفتیم عوامل مختلفی می توانند باعث القای جریان الکتریکی در یک مدار شوند.
برای این که در یک حلقه یا پیچه ، جریان الکتریکی القا شود باید تعداد خطوط مغناطیسی گذرنده از آن مدام تغییر کند. به عبور این خطوط مغناطیسی از حلقه ، پیچه یا سیملوله ، شار مغناطیسی و به تغییر تعداد این خطوط گذرنده ، تغییر شار مغناطیسی می گوییم.
برای هر حلقه ی بسته حامل جریان می توانیم برداری به نام بردار مساحت تعریف کنیم. جهت این بردار به کمک قانون دست راست تعیین می شود. به این صورت که انگشت شست درست راست را در جهت جریان می گیریم. در این حالت جهت بسته شدن ۴ انگشت جهت بردار مساحت را نشان می دهد.
در زیر مثالی از یک بردار مساحت را که در جهت مثبت محور x ها است را می توانید ببینید.
حالا عوامل موثر در شار مغناطیسی را بررسی می کنیم.
تغییر میدان مغناطیسی در محل حلقه بسته
هر چه آهنربا به پیچه نزدیک تر می شود تعداد خطوط میدان مغناطیسی که از پیچه یا حلقه می گذرد بیشتر شده و جریان الکتریکی القایی گذرنده از حلقه بیشتر می شود. بنابراین اگر آهنربا را سریع تر به پیچه دور و نزدیک کنیم شاهد جابجایی سریع تر عقربه خواهیم بود (شکل زیر).
تغییر مساحت حلقه
هر چه مساحت حلقه یا پیچه درون میدان بیشتر باشد تعداد خطوط میدان مغناطیسی گذرنده از آن بیشتر خواهد بود و در نتیجه شار مغناطیسی گذرنده از آن بیشتر می شود.
با استفاده از یک پیچه انعطاف پذیر مثل شکل زیر می توانید این موضوع را بسادگی آزمایش کنید. پیچه یا حلقه انعطاف پذیری را که در فاصله معینی از آهنربا قرار دارد کشیده و فشرده کنید. (شکل زیر)
وقتی پیچه را مثل شکل زیر می کشیم مساحت آن کم شده و تعداد خطوط میدان عبور کننده از آن کم می شود یعنی شار مغناطیسی کم شده و در نتیجه القای الکترومغناطیسی و جریان القایی هم کم می شود.
وقتی پیچه را باز می کنیم تا مساحت آن به حداکثر برسد ، میزان خطوط عبوری بیشتر شده و القای الکترومغناطیسی و جریان القایی بیشتر می شود.
تغییر زاویه بین بردار میدان مغناطیسی و بردار مساحت
زاویه ی بین بردارهای مساحت و میدان مغناطیسی می تواند بین صفر تا ۹۰ درجه تغییر کند. (شکل زیر)
از توضیحاتی که دادیم نتیجه می گیریم شار مغناطیسی گذرنده از سطح یک حلقه را می توان به صورت ضرب نقطه ای بردارهای مساحت و میدان مغناطیسی نوشت.
در مبحث بردارها برای ضرب نقطه ای دو رابطه معرفی کردیم. در این جا هم از هر دو حالت می توان در حل مسائل استفاده کرد. این موضوع بستگی به این دارد که بردارها چگونه موجود باشند.
حالت اول : زمانی که اندازه بردارها و زاویه بین آن ها را داشته باشیم.
حالت دوم : وقتی بردارهای مساحت و میدان مغناطیسی بر حسب مولفه ها موجود باشند.
یکای میدان مغناطیسی تسلا مترمربع است که اصطلاحا وبر نامیده می شود.
درس سوم: قانون القای الکترومغناطیسی فارادی
فیزیک یازدهم – قانون القای الکترومغناطیسی فارادی
قانون القای فارادی
هر گاه شار مغناطیسی ای که از مدار بسته ای می گذرد تغییر کند ، نیرو محرکه ای در آن القا می شود که بزرگی آن با آهنگ تغییر شار مغناطیسی متناسب است.
قانون القای فارادی برای یک حلقه ی بسته
قانون القای فارادی برای N حلقه
در صورتی که به جای یک حلقه ، N حلقه داشته باشیم عبارت فوق در یک N هم ضرب می شود. 
با استفاده از قانون اهم می توانیم جریان را هم بدست آوریم.
علامت منفی پشت رابطه به خاطر قانون به نام قانون لنز است که در ادامه با آن آشنا خواهید شد.
آهنگ متوسط تغییر شار مغناطیسی
آهنگ متوسط تغییر شار عبارت است از نسبت تغییرات شار به بازه زمانی این تغییرات.
به طور مشابه می توانیم نیرومحرکه القایی و جریان متوسط را به صورت زیر بدست آوریم.
مثال : تغییرات شار مغناطیسی بر حسب زمان که از یک حلقه می گذرد در نمودار شکل زیر داده شده است. نمودار نیروی محرکه ی القا شده در حلقه را بر حسب زمان رسم کنید. (توضیحات دقیق و کامل در فیلم آموزش درس سوم)
درس چهارم : قانون لنز
فیزیک یازدهم – قانون لنز
قانون لنز برای تعیین جهت جریان القایی در یک مدار بکار می رود.
قانون لنز : جریان حاصل از نیروی محرکه ی القایی در یک مدار یا پیچه ، در جهتی است که آثار مغناطیسی ناشی از آن ، با عامل بوجود آورنده ی جریان القایی یعنی شار مغناطیسی مخالفت کند.
مثال : آهنربایی را در نظر بگیرید ، که دارد به حلقه ی رسانا نزدیک می شود . به کمک قانون لنز جهت جریان القایی در حلقه را پیدا کنید.
پاسخ : جهت جریان القایی در حلقه به طرف بالا است. (توضیحات در ویدئوی درس چهارم)
مثال : در شکل زیر آهنربا دارد از حلقه دور می شود. جهت جریان القایی را در حلقه تعیین کنید.
پاسخ :جهت جریان القایی در حلقه به طرف پایین است (توضیحات در ویدئوی درس چهارم).
پرسش : با توجه به جهت جریان القایی در هر یک از شکل های الف و ب و با توجه به قانون لنز ، در هر مورد توضیح دهید که آیا آهنربا رو به بالا حرکت می کند یا رو به پایین.
پاسخ : در تصویر الف آهنربا دارد از حلقه دور می شود . در تصویر ب آهنربا دارد به حلقه نزدیک می شود (توضیحات در ویدئوی آموزش قانون لنز).
درس پنجم : القاگرها و اثر خودالقایی
فیزیک یازدهم – القاگرها و اثر خودالقایی
یادآوری: در فضای بین صفحه های یک خازن ، میدان الکتریکی ایجاد می شود و انرژی الکتریکی توسط همین میدان در خازن ذخیره می شود.
از القاگر می توانیم برای تولید میدان مغناطیسی دلخواه و همچنین ذخیره ی انرژی مغناطیسی توسط میدان مغناطیسی استفاده کنیم.
در زیر می توانید تصویر چند القاگر واقعی را ببینید.
نماد القاگر در مدارهای الکترونیکی به صورت زیر است.
برای بررسی اثر القاگر از مداری به شکل زیر استفاده می کنیم.
با تغییر مقاومت رئوستا جریان در مدار تغییر می کند (طبق قانون اهم). تغییر جریان عبوری از مدار باعث تغییر جریان عبوری از القاگر می شود. در نتیجه شار مغناطیسی عبور کننده از القاگر هم تغییر می کند. این فرآیند سبب تغییر نیرو محرکه خود القایی در القاگر می شود که بنابر قانون لنز با هر گونه تغییر جریان عبوری از آن مخالفت می کند.
این پدیده می تواند در هر القاگری – مثل پیچه و سیملوله – رخ دهد و پدیده خود القایی نامیده می شود (توضیحات کامل در ویدئوی مربوطه).
برای درک مفهوم خود القایی یک آزمایش ساده انجام می دهیم. مداری مثل شکل زیر می بندیم.
وسایل آزمایش : یک باتری ۹ ولتی – لامپ LED یا لامپ نئون – القاگر ۱۰۰۰ دور یا بیشتر – کلید برای قطع و وصل کردن مدار – چند تکه سیم
روش انجام آزمایش: کلید را بسته و پس از چند لحظه قطع می کنیم. وقتی کلید را می بندیم نور لامپ برای یک لحظه کم و سپس زیاد می شود. وقتی کلید را باز می کنیم نور لامپ برای یک لحظه زیاد و سپس خاموش می شود.
دلیل این وقایع به خاطر قانون لنز و جریان خود القایی است. در فیلم آموزشی بالا این موضوع را به طور مفصل توضیح داده ایم.
ضریب خودالقایی
نیرو محرکه خودالقایی القاگر از رابطه زیر بدست می آید.
یکای ضریب خودالقایی ،هانری نامیده می شود و آن را H نشان می دهند.
ضریب خودالقایی L از ویژگی های ساختمانی القاگر است و به تعداد دور ، طول ، سطح مقطع و … القاگر بستگی دارد.
به کمک رابطه فوق و با بستن یک مدار ساده می توانیم ضریب خودالقایی یک القاگر را به صورت تجربی اندازه بگیریم.
تعریف : یک هانری ضریب خودالقایی القاگری است که اگر جریان عبوری از آن با آهنگ یک آمپر بر ثانیه تغییر کند ، نیرو محرکه ی خودالقایی برابر یک ولت ، در آن القا می شود.
در مثال بالا رابطه ای به صورت ریاضی برای ضریب خودالقایی القاگر بدست آوردیم. این رابطه بسیار مهم است و بارها در امتحانات نهایی از آن سوال مطرح شده است.
نکته دیگر این که وجود هسته درون القاگر ، باعث تقویت القاییدگی آن می شود. اثر این هسته را با ضریب K نشان می دهیم.
بنابراین ضریب خودالقایی یک القاگر دارای هسته از رابطه زیر بدست می آید:
k ضریبی بدون یکا است که به جنس ، شکل هندسی و ابعاد هسته ی داخل سیملوله بستگی دارد و به آن تراوایی مغناطیسی هسته می گویند. N تعداد حلقه ها ، l طول سیملوله و A مساحت سطح سیملوله است.
مثال: دو سیملوله بدون هسته با سطح مقطع و تعداد دور یکسان را در نظر بگیرید . اگر طول یکی از سیملوله ها دو برابر دیگری باشد ، نسبت ضریب خودالقایی آن ها را محاسبه کنید.
درس ششم: القای متقابل و انرژی ذخیره شده در القاگرها
فیزیک یازدهم – القای متقابل ، انرژی ذخیره شده در القاگر
یادآوری: القاگر وسیله ای است که می تواند انرژی مغناطیسی را در خود ذخیره کند. جریان عبوری از یک القاگر تغییر می کند ، شار مغناطیسی عبوری از آن تغییر می کند. این فرآیند سبب القای نیرو محرکه ی خودالقایی در القاگر می شود که بنابر قانون لنز با هر گونه تغییر جریان عبوری از آن مخالفت می کند.
القای متقابل
دو مدار به صورت زیر می بندیم. عبور جریان از مدار سمت چپ باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در پیچه سمت چپ و اطراف آن می شود. بنابر این از پیچه سمت راست یک شار مغناطیسی خالص عبور می کند. 
حالا به کمک رئوستا ، جریان عبوری از پیچه سمت چپ را تغییر می دهیم. با این کار شار عبوری از پیچه سمت راست تغییر می کند.
طبق قانون القای فارادی ، این تغییر شار ، نیرو محرکه ای در پیچه القا می کند. این فرآیند القای متقابل نامیده می شود. اثرات این نیرومحرکه القایی را با جابه جا شدن عقربه گالوانومتر می توان مشاهده کرد.
خودالقایی هنگامی اتفاق می افتد که جریان عبوری از خود پیچه تغییر کند ، اما القای متقابل زمانی اتفاق می افتد که جریان عبوری در پیچه ی مجاور تغییر کند.
می توان نشان داد القای متقابل از رابطه زیر بدست می آید:
انرژی ذخیره شده در القاگر
می توان ثابت کرد انرژی ذخیره شده در القاگر از رابطه زیر بدست می آید.
تذکر : رفتار القاگر و مقاومت در مقابل عبور جریان با هم فرق دارد.
وقتی جریانی از مقاومت می گذرد ، بخشی از انرژی بارها توسط مقاومت به صورت گرما تلف می شود ( چه جریان پایا باشد چه متغیر ).
اما برای جریان گذرنده از القاگر سه حالت داریم:
اگر جریان گذرنده از القاگر پایا باشد ، به همان صورت که وارد شده خارج می شود.
اگر جریان ورودی در حال افزایش باشد ، این جریان به صورت انرژی در القاگر ذخیره می شود.
اگر جریان را کاهش دهیم ، انرژی ذخیره شده آزاد می شود.
مثال: متخصصان صنعت برق علاقمندند راه موثری را برای ذخیره ی انرژی الکتریکی تولیدی در ساعت های کم مصرف بیابند تا با استفاده از آن نیاز مشترکان را در ساعت های پر مصرف تامین کنند. یک ایده این است که :
شاید بتوان از یک القاگر بزرگ استفاده کرد.
ضریب خودالقایی این القاگر چقدر باشد تا بتواند ۱kW.h انرژی الکتریکی را در یک پیچه ی حامل جریان ۲۰۰A ذخیره کند؟
برای چنین خودالقائی ای ، باید اندازه القاگر بسیار بزرگ و به اندازه یک اتاق باشد. بنابر این چنین طرحی توجیه عملی ندارد.
درس هفتم : جریان متناوب
فیزیک یازدهم – جریان متناوب
در زیر مدار سمت چپ یک مدار ساده جریان مستقیم و مدار سمت راست یک مدار ساده جریان متناوب را نشان می دهد.
در مدار جریان مستقیم جهت جریان کاملا مشخص است اما در مدار جریان متناوب جهت جریان در هر لحظه بارها تغییر می کند.
نیروگاه های برق جریان متناوب تولید می کنند. این جریان متناوب تابعی سینوسی از زمان است.
در تصویر زیر می توانید نمودار سینوسی جریان متناوب را ببینید.
یکی از کاربردهای بسیار مهم القای الکترومغناطیسی تولید جریان متناوب است.
در فصل قبل یاد گرفتید که شار مغناطیسی گذرنده از یک پیچه از رابطه زیر بدست می آید:
در این رابطه B بزرگی میدان ، A بزرگی بردار مساحت ، آلفا زاویه بین بردار میدان و بردار مساحت و فی شار مغناطیسی گذرنده از پیچه است.
در شکل زیر در سمت چپ ، اجزای یک مولد ساده AC را می بینید. میدان مغناطیسی بین دو قطب یک آهنربا ثابت است. پیچه طوری طراحی شده که بین دو قطب ، درون میدان می تواند حول محوری بچرخد.
به این پیچه قاب مغناطیسی می گوییم. با چرخش قاب ، بردار مساحت هم مدام می چرخد و زاویه بین بردارهای مساحت و میدان مدام تغییر می کند و طبق رابطه فوق ، شار مغناطیسی تغییر کرده و نیرومحرکه القایی ایجاد می شود.
در زیر می توانید محاسبات کامل را برای نیرومحرکه القایی و جریان الکتریکی القایی ببینید.
به این ترتیب جریان القایی متناوب از رابطه زیر بدست می آید.
همین طور که می بینید این رابطه سینوسی است. اگر نمودار جریان-زمان فوق را برای یک دوره تناوب رسم کنیم نمودار آن به صورت زیر در می آید.
اگر بخواهیم این نمودار را تحلیل کنیم باید ۴ مرحله – ۴ ربع نمودار – را در نظر بگیریم. این ۴ مرحله را می توانید در زیر ببینید.
برای دریافت کامل توضیحات مربوط به مراحل بالا و رسم نمودار ، به فیلم بالا مراجعه کنید.
توضیحاتی که دادیم اساس و مبنای تولید برق در ژنراتورها است. با این توضیح که چرخه ای که توضیح دادیم در ثانیه بارها و بارها تکرار می شود.
مثال: شکل زیر ، نمودار جریان متناوب سینوسی را نشان می دهد که یک مولد جریان متناوب تولید کرده است . معادله ی جریان بر حسب زمان را بنویسید.
فیزیک یازدهم – مبدل ها ( ترانسفورماتورها )
مبدل ها وسایلی هستند که می توانند ولتاژ را کاهش یا افزایش دهند. این وسایل در خیلی از دستگاه هایی که استفاده می کنیم به کار می روند مثلا در وسایلی چون رادیو ، تلویزیون و… ولتاژ برق را تا میزان مناسب کاهش می دهند.
شکل زیر یک مبدل شامل ۲ پیچه با تعداد دورهای متفاوت را نشان می دهد که به دور یک هسته ی آهنی (فرومغناطیس نرم) پیچیده شده اند.
برای این مبدل ها رابطه زیر برقرار است.
مثال : شکل زیر ، یک مبدل ۲۴۰V به ۱۲V را نشان می دهد. تعداد دورهای پیچه ی ثانویه را پیدا کنید.
جواب پرسش های فیزیک سوم تجربی ، ریاضی و فیزیک یازدهم
جواب تمرین های فیزیک ۳ تجربی ، ریاضی و فیزیک یازدهم
