قانون لنز و جهت جریان القایی

قطب شمال یک آهن‌ربا را به سمت سیم‌پیچی ببر؛ گالوانومتر به یک طرف منحرف می‌شود. حالا همان آهن‌ربا را عقب بکش؛ عقربه به طرف مقابل می‌رود. این یعنی جهت جریان القایی دلبخواه نیست و قانون دقیقی دارد. آن قانون را هاینریش لنز در سال ۱۸۳۴ بیان کرد و همان علامت منفی رابطهٔ فارادی است.

بیان قانون لنز

قانون لنز می‌گوید: جریان القایی همیشه در جهتی جاری می‌شود که اثر مغناطیسی آن با تغییری که آن را به وجود آورده مخالفت کند. دقت کن که جریان القایی با خودِ میدان مخالفت نمی‌کند، بلکه با تغییر شار مخالفت می‌کند. یعنی:

• اگر شار در حال افزایش باشد، جریان القایی میدانی می‌سازد که خلاف جهت میدان اصلی است تا افزایش را کُند کند.
• اگر شار در حال کاهش باشد، جریان القایی میدانی هم‌جهت با میدان اصلی می‌سازد تا کاهش را جبران کند.

در عمل، وقتی قطب شمال آهن‌ربا نزدیک می‌شود، وجه سیم‌پیچِ رو به آهن‌ربا به قطب شمال تبدیل می‌شود و آهن‌ربا را می‌راند؛ و وقتی همان قطب دور می‌شود، آن وجه به قطب جنوب تبدیل می‌شود و آهن‌ربا را می‌کشد. در هر دو حالت، سیم‌پیچ با حرکت مخالفت می‌کند.

چرا لنز؟ پاسخ در پایستگی انرژی است

فرض کن قانون لنز برعکس بود و جریان القایی به حرکت آهن‌ربا کمک می‌کرد. آن‌گاه آهن‌ربا خودبه‌خود تندتر می‌شد، شار سریع‌تر تغییر می‌کرد، جریان بیشتر می‌شد و این چرخه بی‌پایان ادامه می‌یافت: انرژی از هیچ! چون چنین چیزی ناممکن است، جریان القایی باید با حرکت مخالفت کند. به بیان دیگر، آن انرژی الکتریکی که در مدار ظاهر می‌شود، از کار مکانیکی دستی می‌آید که آهن‌ربا را هل می‌دهد.

یک مثال عددی حل‌شده

سیم‌پیچی با ۲۰۰ دور و مساحت ۰٫۰۱ متر مربع عمود بر میدانی قرار دارد که با آهنگ ثابت ۲ تسلا بر ثانیه افزایش می‌یابد. مقاومت کل مدار ۸ اهم است. جریان القایی و توان مصرفی را بیاب.

1. آهنگ تغییر شار برای یک دور: ΔΦ/Δt = A × ΔB/Δt = ۰٫۰۱ × ۲ = ۰٫۰۲ وبر بر ثانیه.
2. نیروی محرکه: ε = N × ۰٫۰۲ = ۲۰۰ × ۰٫۰۲ = ۴ ولت.
3. جریان: I = ε ÷ R = ۴ ÷ ۸ = ۰٫۵ آمپر.
4. توان: P = ε × I = ۴ × ۰٫۵ = ۲ وات (یا P = I²R = ۰٫۲۵ × ۸ = ۲ وات).

جهت این جریان طوری است که میدان تولیدی‌اش خلاف جهت میدان روبه‌افزایش بیرونی باشد. آن ۲ وات هم از آسمان نیامده است؛ منبعی که میدان بیرونی را زیاد می‌کند باید همین مقدار توان اضافی بدهد.

در بستن مدار سیم‌پیچ‌های بزرگ مراقب باش: هنگام قطع ناگهانی جریان، ΔΦ/Δt بسیار بزرگ می‌شود و ولتاژ القایی می‌تواند چند صد ولت شود و جرقه بزند. به همین دلیل موازی سیم‌پیچ رله، یک دیود محافظ می‌گذارند.

کاربرد در دنیای واقعی

اگر آهن‌ربای قوی را درون لولهٔ مسی بیندازی، به‌جای سقوط آزاد، آرام و شناور پایین می‌رود. علتش جریان‌های گردابی است: حلقه‌های جریان القایی در دیوارهٔ لوله که طبق قانون لنز با سقوط مخالفت می‌کنند. همین پدیده در ترمز مغناطیسی قطارهای پرسرعت و چرخ‌فلک‌های تفریحی، در کنتور برق قدیمی و در گیت‌های فلزیاب فرودگاه به کار می‌رود. در اجاق القایی هم همین جریان‌های گردابی درون کف قابلمه، غذا را گرم می‌کنند.