در این مطلب قصد داریم تولید برق با میدان مغناطیسی را توضیح دهیم. به صورت فیزیکی وقتی یک رسانا در میدان مغناطیسی متغیر قرار می‌گیرد الکترون‌های رسانا حرکت کرده و جریان الکتریکی تولید می‌کنند. آهنرباها این میدان‌های مغناطیسی متغیر را تولید می‌کنند و می‌توانند در دستگاه‌های مختلف برای تولید برق استفاده شوند. بسته به نوع آهنربای استفاده شده، یک ژنراتور الکتریکی چرخان می‌تواند آهنربا را در مکان‌های مختلف قرار داده و از راه‌های مختلف برق تولید کند. بیشتر برق مورد استفاده در این ژنراتورها از میدان‌های مغناطیسی تولید می‌شود. برای ادامه این بحث ابتدا توضیحاتی در مورد ژنراتور و قسمت‌های مختلف آن ارائه می‌دهیم و سپس در مورد تولید برق با میدان مغناطیسی صحبت خواهیم کرد.

ژنراتور چیست؟

دستگاه‌هایی که با استفاده از انرژی الکتریکی کار می‌کنند مانند تلفن، کامپیوتر، ماشین ظرفشویی و یا دستگاه‌های قهوه ساز، به طور روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند و زندگی ما را آسان‌تر کرده‌اند. برق این دستگاه‌ها با استفاده از ژنراتورهای الکتریکی به خانه‌های ما آورده می‌شود.

اساس کار ژنراتورهای الکتریکی مدرن امروزی بر اساس همان ژنراتورهای اختراع شده توسط مایکل فارادی در سال 1831 است. این ژنراتورها که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند ژنراتور AC محسوب می‌شوند که مولدهای برق روزانه خانه‌ها نیز هستند.

ژنراتور AC
تصویر ۱: تولید برق با میدان مغناطیسی و ژنراتور AC ساده

در تعریف یک ژنراتور الکتریکی باید گفت که ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. قانونی که بر این دستگاه حاکم است اصل القای الکترومغناطیسی است که توسط فارادی اختراع شد و به القای فارادی نیز معروف است. این اصل بیان می‌کند که تغییر میدان مغناطیسی باعث ایجاد ولتاژ در یک رسانا می‌شود. در حقیقت ژنراتورهای الکتریکی به دو دسته ژنراتورهای AC (جریان متناوب) و DC (جریان مستقیم) تقسیم می‌شوند. ژنراتور AC جریانی را تولید می‌کند که به طور مداوم جهت جریان را تغییر می‌دهد و ژنراتور DC جریانی را تولید می‌کند که فقط در یک جهت حرکت دارد و تغییر جهتی در آن رخ نمی‌دهد.

قطعات اصلی یک ژنراتور چه هستند؟

قسمت‌های اساسی یک ژنراتور AC موتور مکانیکی، آهنربا و یک یا چند روتور (قسمت چرخنده یک ماشین) هستند. بدون حضور هر یک از این قطعات نمی‌توان از این روش برق تولید کرد و هر قسمت نقش خاص خود را دارد.

ژنراتور چگونه کار می‌کند؟

هر اتم از تعداد برابر پروتون (مثبت) و الکترون (منفی) تشکیل شده است. بعضی از مواد (که رسانا نامیده می‌شوند) دارای الکترون‌هایی هستند که می‌توانند از اتمی به اتم دیگر جریان داشته باشند. جریان الکترون‌ها را الکتریسیته می‌نامند. یک آهنربا می‌تواند به راحتی باعث جریان الکترون از یک اتم به اتم دیگر شود. وقتی آهنربا به سیم نزدیک می‌شود نیروی آهنربا باعث حرکت الکترون می‌شود و در نتیجه برق تولید می‌کند. در داخل یک ژنراتور AC یک یا چند روتور یا سیم پیچ توسط یک نیروی مکانیکی به حرکت در می‌آیند و در داخل میدان مغناطیسی می‌چرخند.

انرژی مکانیکی

انرژی مکانیکی در یک ژنراتور AC برای تولید برق استفاده می‌شود. می‌توان از منابعی مانند آب، باد یا زغال سنگ برای حرکت دادن روتورهای داخل یک ژنراتور استفاده کرد. ساده‌ترین نوع ژنراتورها توسط هندل به حرکت در می‌آیند. ژنراتورهای بزرگتر را می‌توان توسط توربین‌های بادی یا آبی، هوای فشرده یا موتورهای احتراق داخلی حرکت داد. به عنوان مثال اگر رودخانه‌ای از داخل یا نزدیک یک شهر عبور کند منبع انرژی مکانیکی جریان آب است.

آهنربا

آهنربا ماده‌ای است که میدان مغناطیسی تولید می‌کند و دارای قطب شمال و جنوب است و مواد فرومغناطیسی را به خود جذب می‌کند (فلزاتی مانند آهن، نیکل یا کبالت که جذب آهنربا می‌شوند، می توانند مغناطیسی شوند).

آهنربا
تصویر ۲: تولید برق با میدان مغناطیسی و تصویر شماتیک از آهنربا و میدان آهنربا

در داخل یک ژنراتور AC آهنربا یک میدان مغناطیسی بین قطب شمال و جنوب ایجاد می‌کند. وقتی روتور بین قطب شمال و جنوب آهنربا حرکت می‌کند الکترون‌های سیم پیچ شروع به شارش می‌کنند.

روتور

روتور یا سیم پیچ قسمتی از ژنراتور است که در داخل میدان مغناطیسی می‌چرخد. مواد مورد استفاده برای سیم باید رسانای خوبی باشند یعنی از اتم‌هایی با الکترون آزاد ساخته شده باشند. هنگامی که سیم به قطب جنوب آهنربا نزدیک است الکترون‌ها از یک سمت و هنگامی که به قطب شمال نزدیک می‌شود الکترون‌ها از سمت دیگر جریان می‌یابند. از آنجا که سیم از قطب شمال به قطب جنوب آهنربا می‌چرخد ​​و مجدداً به قطب شمال و سپس به قطب جنوب می‌رود و این روند مدام تکرار می‌شود، جهت جریان الکتریکی نیز به طور پیوسته تغییر می‌کند. برای مطالعه بیشتر در زمینه ژنراتور و طرز کار آن این مطلب را بخوانید.

برای آشنایی بیشتر با الکتریسیته و مغناطیس، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

تولید برق با میدان مغناطیسی

در حالی که مقدار تولید الکتریسیته توسط صفحات خورشیدی در حال افزایش است و مقدار کمی از الکتریسیته توسط باتری‌ها به دست می‌آید بیشترین الکتریسیته از ژنراتورهایی تأمین می‌شود که از میدان‌های مغناطیسی برای ایجاد برق استفاده می‌کنند. همان طور که گفتیم این ژنراتورها از سیم پیچ ساخته شده‌اند که یا به دور میدان‌های مغناطیسی چرخیده می‌شوند و یا به صورت ثابت قرار می‌گیرند و آهنربا حول آن‌ها می‌چرخد و در هر دو حالت سیم پیچ‌ها در معرض تغییر میدان‌های مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربا هستند.

این آهنربا می‌تواند آهنربای دائمی یا الکتریکی باشد. آهنرباهای دائمی عمدتاً در ژنراتورهای کوچک استفاده می‌شوند و دارای این مزیت هستند که نیازی به منبع تغذیه ندارند. آهنرباهای الکتریکی معمولاً دارای هسته‌ای از جنس آهن یا استیل هستند که دور آن‌ها سیم پیچیده می‌شود. وقتی جریان الکتریکی از سیم عبور می‌کند فلز خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود.

سیم پیچ ژنراتورها رسانا هستند و وقتی الکترون‌های سیم در معرض تغییر میدان‌های مغناطیسی قرار می‌گیرند حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی در سیم‌ها ایجاد می‌شود. سیم‌ها به هم متصل می‌شوند و در نهایت برق از نیروگاه خارج می‌شود و به خانه‌ها و کارخانه‌ها می‌رود.

ساخت یک ژنراتور مغناطیسی دائمی

وقتی از آهنرباهای دائمی در ژنراتور استفاده می‌شود برای تولید برق فقط کافی است میله ژنراتور را چرخاند. پس از تولید اولین ژنراتورها از این نوع عموم مردم تصور می‌کردند که می‌توانند از یک ژنراتور برای تأمین برق موتور استفاده کنند و پس از آن ژنراتور بعدی با آهنربای دائمی شروع به کار کند. تصور آن‌ها این بود که اگر موتور و ژنراتور دقیقاً با هم مطابقت داشته باشند می‌توانند یک منبع قدرت مغناطیسی بسازند که برای همیشه به عنوان یک ماشین با حرکت دائمی کار کند.

متأسفانه این تصور به درستی کار نکرد. در حقیقت دلیل شکست این تصور این بود که اگر چه چنین ژنراتورها و موتورهایی بسیار کارآمد هستند اما مقاومت الکتریکی در سیم‌ها باعث اتلاف الکتریکی می‌شود و در یاتاقانهای میله چرخان نیز اصطکاک وجود دارد.

حتی وقتی افرادی که این آزمایشات را انجام می‌دادند تصمیم گرفتند تا قسمت ژنراتور-موتور را برای مدتی روشن نگه دارند در نهایت به دلیل تلفات در سیم‌ها و اصطکاک ژنراتور و موتور از حرکت ایستادند.

چگونه یک ژنراتور معمولی در نیروگاه کار می‌کند؟

نیروگاه‌های بزرگ دارای ژنراتورهای بزرگ در ابعاد یک اتاق هستند که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی از آهنرباهای الکتریکی برق تولید می‌کنند. معمولاً آهنرباهای الکتریکی بر روی میله‌ای سوار می‌شوند و به یک منبع تغذیه الکتریکی متصل می‌شوند. هنگامی که جریان برق وصل می‌شود آهنرباهای الکتریکی میدان‌های مغناطیسی قدرتمندی ایجاد می‌کنند. سیم پیچ در اطراف میله یا شافت نصب شده است. همزمان با چرخش شافت با آهنربا سیم‌ پیچ‌ها در معرض تغییر میدان‌های مغناطیسی قرار می‌گیرند و جریان الکتریکی در سیم‌ها ایجاد می‌شود.

قطعات یک نیروگاه با ژنراتور
تصویر ۳: تولید برق با میدان مغناطیسی و نمای شماتیک از قطعات یک نیروگاه با ژنراتور

از روش‌های مختلف می‌توان برای چرخش میله در ژنراتورها و تولید برق استفاده کرد. در توربین‌های بادی ملخک یا پروانه توربین، شافت یا میله را می‌چرخاند. در نیروگاه‌های زغال‌سنگ و هسته‌ای گرمای حاصل از سوزاندن زغال سنگ یا واکنش‌های هسته‌ای بخار را برای راه‌اندازی توربین ایجاد می‌کند تا مولد را به حرکت در آورد. در نیروگاه‌های مجهز به گاز طبیعی، یک توربین گازی همین کار را انجام می‌دهد.

نیروگاه‌ها به یک منبع انرژی نیاز دارند که بتواند شافت ژنراتور را بچرخاند و سپس آهنربا می‌تواند میدان‌های مغناطیسی متغیر و تولید کننده برق را تولید کند.

چگونه با آهنربا برق تولید کنیم؟

در بسیاری از نیروگاه‌ها از آهنربای متحرک برای تبدیل انرژی جنبشی و مغناطیسی به جریان الکتریکی استفاده می‌شود. مولدهای آهنربایی به دلیل دستورالعمل ساده آن‌ها و نمایش یکی از نظریه‌های فیزیکی می‌توانند به عنوان یک پروژه علمی دانش‌آموزی جذاب استفاده شوند. ترکیب انرژی حاصل از میدان مغناطیسی و حرکت آهنربا در داخل سیم پیچ سیم مسی باعث حرکت الکترون‌های سیم و ایجاد یک جریان الکتریکی می‌شود. روش‌های مختلفی برای انجام این آزمایش وجود دارد که ساخت برخی از آن‌ها دشوارتر از بقیه است. یکی از روش‌های ساده انجام این آزمایش استفاده از لرزش و حرکت مگنت‌ها برای تولید نیرو و جریان است. برای ساخت این وسیله به مواد زیر نیاز دارید:

  • نصف قرقره سیم مگنت مسی
  • کاغذ سمباده ریز
  • قیچی یا کاتر
  • مداد
  • یک قطعه آهنربای نئودیمیم کوچک و قدرتمند
  • لامپ LED ولتاژ پایین (کمتر از 2٫5 ولت)
  • قوطی فیلم 35 میلی‌متری
  • چسب برق
  • مقوا
تصویر ۴: تولید برق با میدان مغناطیسی و آهنربا، مرحله اول

شکل دایره‌ای یک قوطی فیلم را دو بار با مداد روی یک مقوا رسم کنید. دور هر دایره نیز دایره‌ای با شعاع بزرگتر رسم کنید تا شکلی شبیه به تصویر (۴) به دست آید.

دور دایره ها را برش بزنید تا دو شکل دایره‌ای به دست آید و سپس دایره داخلی را نیز خارج کنید تا دو دایره تو خالی داشته باشید. اینک هر دو حلقه ایجاد شده را داخل محور قوطی فیلم کنید و از هر طرف به فاصله یک اینچ قرار دهید. با استفاده از یک چسب برق فاصله بین حلقه و قسمت خارج از فاصله حلقه‌ها را با نوار چسب بپوشانید به طوری که تصویر (۵) حاصل شود.

مرحله دوم تولید برق با آهنربا
تصویر ۵: تولید برق با میدان مغناطیسی و آهنربا، مرحله دوم

سیم مسی را بین قطعات مقوا و روی بدنه قوطی فیلم به تعداد 1000 تا 2000 دور بپیچید و به خاطر داشته باشید چند اینچ از لبه‌ ابتدایی سیم را برای اتصال به چراغ به صورت آزاد رها کنید. حاصل کار شما چیزی شبیه به تصویر (۶) است.

مرحله سوم تولید برق از آهنربا
تصویر ۶: تولید برق با میدان مغناطیسی و آهنربا، مرحله سوم

یک سر سیم پیچیده شده را با یک تکه چسب کوچک در محل خود محکم کنید و عایق سر دیگر سیم را که رها گذاشتید با استفاده از کاغذ سمباده از بین ببرید.

مرحله چهارم تولید برق از آهنربا
تصویر ۷: تولید برق با میدان مغناطیسی و آهنربا، مرحله چهارم

انتهای آزاد سیم بدون عایق را به قسمت انتهایی یک لامپ LED بپیچید و با یک چسب برق این اتصال را محکم کنید.

تصویر ۸: تولید برق با میدان مغناطیسی و آهنربا، مرحله پنجم

آهنربای نئودیمیم را داخل قوطی فیلم قرار داده و درب آن را ببندید، سپس قوطی را بین انگشت شست و اشاره خود نگه دارید تا درب آن شل نشود و آن را به عقب و جلو تکان دهید تا لامپ روشن شود.

مرحله ششم تولید برق از آهنربا
تصویر ۹: تولید برق با میدان مغناطیسی و آهنربا، مرحله ششم

بدین ترتیب شما توانستید با استفاده از آهنربا یک لامپ الکتریکی را روشن کنید. نکته‌ای که باید مد نظر قرار دهید این است که افزودن آهنرباهای بیشتر به قوطی یا چرخش بیشترسیم حول قوطی فیلم می‌تواند روشنایی لامپ را تغییر دهد. این آزمایش را می‌توانید با تعداد دور سیم پیچ بیشتر و آهنرباهای بیشتر انجام دهید تا ببینید روشنایی لامپ چگونه تغییر می‌کند.

آیا می توان از میدان مغناطیسی زمین برای تولید برق استفاده کرد؟

شاید این سوال به ذهن شما خطور کند که آیا با استفاده از میدان مغناطیسی زمین می‌توان برق تولید کرد یا خیر. متاسفانه چنین امکانی از لحاظ تئوری امکان‌پذیر نیست. همان طور که در قسمت‌های قبل نیز بیان کردیم یک میدان مغناطیسی به تنهایی برق ایجاد نمی‌کند. بلکه یک میدان مغناطیسی متغیر می‌تواند مولد جریان الکتریکی باشد. شاید با خود بگویید که میدان مغناطیسی زمین نیز تغییر می‌کند، این حرف درست است اما مقدار این تغییر بسیار کوچک است و نمی‌تواند جریان زیادی ایجاد کند.

همچنین روش دیگر استفاده از میدان مغناطیسی زمین برای تولید برق حرکت یک سلف در میدان مغناطیسی است. این روش نیز کاربردی نیست زیرا میدان مغناطیسی زمین در فواصل کوتاه کاملاً همگن است و بنابراین سیم پیچ برای تولید جریان نیاز به حرکت سریع و در فواصل بسیار دور دارد. در این حالت انرژی مصرفی برای حرکت سلف بسیار بیشتر از انرژی است که از این روش تولید می‌شود و در نتیجه کاربردی نخواهد بود.

معرفی فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه

آموزش فیزیک ۲

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم  آموزش فیزیک ۲ دانشگاه برای دانشجویان علوم پایه و فنی و مهندسی کرده است. این مجموعه آموزشی از شانزده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته علوم پایه و فنی مهندسی مفید است. پیش‌نیاز این درس آموزش فیزیک پایه ۱، ریاضی ۱ و معادلات دیفرانسیل است.

درس اول دوم این مجموعه به ترتیب به بار الکتریکی و میدان‌های الکتریکی اختصاص دارد. درس سوم و چهارم در مورد قانون گاوس صحبت خواهد کرد و درس پنجم به مفهوم پتانسیل الکتریکی می‌پردازد. درس ششم، هفتم و هشتم مربوط به مفاهیم ظرفیت، جریان و مقاومت و مدار‌ها است و درس نهم به معرفی مفهوم میدان‌های الکترومغناطیسی می‌پردازد. در درس دهم مفهوم میدان‌های مغناطیسی حاصل از جریان‌ها معرفی می‌شود و در درس یازدهم و دوازدهم القا و خودالقایی آموزش داده می‌شود. درس سیزدهم و چهاردهم این مجموعه آموزشی به موضوع نوسان‌های الکترومغناطیسی و جریان های متناوب اختصاص دارد و درس پانزدهم به معرفی معادلات ماکسول می‌پردازد. در نهایت در درس شانزدهم امواج الکترومغناطیس آموزش داده می‌شود.

جمع‌بندی

در این مطلب تولید برق از میدان‌های مغناطیسی را بررسی کردیم و نحوه این فرآیند را توضیح دادیم. بدین منظور به اختصار طرز کار ژنراتورها و قسمت‌های مختلف یک ژنراتور را شرح دادیم. همچنین به عنوان یک پروژه دانش آموزی وسیله‌ای طراحی کردیم که با استفاده از آن بتوان برق تولید کرد. در نهایت و در انتهای این مطلب نیز امکان تولید برق از میدان مغناطیسی زمین را مورد بررسی قرار دادیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سارا داستان (+)

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 21 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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