نیروی بین جریان های موازی

نیروی بین جریان‌های موازی: جذب و دفع جریان‌ها در سیم‌های موازی

یکی از پدیده‌های جالب در علم فیزیک، نیرویی است که بین دو سیم حامل جریان به وجود می‌آید. زمانی که دو سیم موازی جریان الکتریکی را حمل می‌کنند، در صورت هم‌جهت بودن جریان‌ها یکدیگر را جذب و در صورت خلاف‌جهت بودن جریان‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند. این پدیده در علم فیزیک به عنوان نیروی بین جریان‌های موازی شناخته می‌شود و به دلیل اهمیتش در حوزه‌های مختلفی همچون مهندسی برق و مغناطیس، به‌ویژه در طراحی موتورها و ترانسفورماتورها، کاربردهای بسیاری دارد.

در این مقاله به توضیح اصول این پدیده، فرمول‌ها و مفاهیم آن می‌پردازیم و با مثال‌های متعدد به ساده‌ترین شکل ممکن آن را توضیح می‌دهیم.

نیروی بین جریان‌های موازی چیست؟

وقتی دو سیم موازی حامل جریان الکتریکی باشند، به دلیل ایجاد میدان مغناطیسی توسط هر یک از سیم‌ها، نیرویی بین آن‌ها به وجود می‌آید. این نیرو می‌تواند جاذب یا دافع باشد. اگر جریان‌ها در هر دو سیم به یک جهت حرکت کنند، سیم‌ها یکدیگر را جذب می‌کنند؛ در حالی که اگر جریان‌ها در دو سیم مخالف جهت باشند، سیم‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند.

این پدیده با استفاده از قانون بیو-ساوار توضیح داده می‌شود که بیان می‌کند جریان الکتریکی می‌تواند میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد کند. میدان مغناطیسی تولید شده توسط یکی از سیم‌ها، روی سیم دیگر نیرو وارد می‌کند و همین موضوع باعث ایجاد نیروی بین سیم‌ها می‌شود.

فرمول نیروی بین دو سیم موازی

فرمول دقیق محاسبه نیروی بین دو سیم موازی به صورت زیر است:

$\vec{F}_{ba} = \frac{\mu_0 \cdot i_a \cdot i_b \cdot L}{2 \pi d}$

در این فرمول:

$\vec{F}_{ba}$ : نیروی بین دو سیم.

$\mu_0$ : نفوذپذیری مغناطیسی خلأ که مقداری ثابت دارد و برابر با $4 \pi \times 10^{-7}$ هنری بر متر است.

$i_a$ و $i_b$ : جریان‌های الکتریکی عبوری از سیم‌های اول و دوم.

$L$ : طول سیم‌ها که نیرو در آن محاسبه می‌شود.

$d$ : فاصله بین دو سیم.

این فرمول به ما امکان می‌دهد که مقدار نیروی جاذبه یا دافعه بین دو سیم موازی را بر اساس جریان‌های عبوری، طول سیم‌ها و فاصله بین آن‌ها محاسبه کنیم.

توضیح اصول: چرا سیم‌های موازی جذب یا دفع می‌شوند؟

این پدیده به دلیل ایجاد میدان مغناطیسی اطراف سیم‌های حامل جریان رخ می‌دهد. هر سیم حامل جریان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می‌کند. جهت این میدان مغناطیسی طبق قانون دست راست تعیین می‌شود. در صورتی که جریان‌ها در دو سیم موازی هم‌جهت باشند، میدان مغناطیسی ایجاد شده باعث می‌شود که سیم‌ها به سمت یکدیگر جذب شوند. در مقابل، اگر جریان‌ها در دو سیم مخالف جهت باشند، میدان مغناطیسی باعث دفع سیم‌ها از یکدیگر می‌شود.

برای درک بهتر این موضوع، می‌توان به قانون آمپر و قانون نیروی لورنتس اشاره کرد. طبق قانون آمپر، جریان الکتریکی می‌تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و طبق قانون لورنتس، میدان مغناطیسی می‌تواند نیرویی بر روی جریان‌های الکتریکی وارد کند. این دو قانون در کنار هم دلیل اصلی ایجاد نیروی بین جریان‌های موازی را توضیح می‌دهند.

مثال 1: محاسبه نیروی بین دو سیم موازی

فرض کنید دو سیم موازی با فاصله 10 سانتی‌متر از یکدیگر قرار دارند و هر کدام جریانی به مقدار 5 آمپر حمل می‌کنند. طول سیم‌ها 2 متر است. بیایید نیروی بین این دو سیم را محاسبه کنیم.

طبق فرمول:

$\vec{F}_{ba} = \frac{\mu_0 \cdot i_a \cdot i_b \cdot L}{2 \pi d}$

ابتدا مقادیر را در فرمول قرار می‌دهیم:

$\mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7}$

$i_a = i_b = 5 \, \text{A}$

$L = 2 \, \text{m}$

$d = 0.1 \, \text{m}$

با جایگذاری این مقادیر در فرمول:

$\vec{F}_{ba} = \frac{(4 \pi \times 10^{-7}) \cdot 5 \cdot 5 \cdot 2}{2 \pi \cdot 0.1} = 1 \times 10^{-5} \, \text{N}$

پس نیروی بین دو سیم برابر با $1 \times 10^{-5}$ نیوتن است.

مثال 2: تاثیر جهت جریان

فرض کنید در مثال قبلی، جهت جریان در یکی از سیم‌ها را معکوس کنیم. آیا نیرو تغییر می‌کند؟ بله، در این حالت جریان‌ها در دو سیم خلاف جهت یکدیگر هستند و به جای نیروی جاذبه، نیروی دافعه بین دو سیم به وجود می‌آید. مقدار نیرو همان است اما جهت آن معکوس می‌شود؛ یعنی سیم‌ها به جای جذب یکدیگر، از هم دور می‌شوند.

کاربردهای عملی نیروی بین جریان‌های موازی

1. طراحی ترانسفورماتورها

در ترانسفورماتورها از این پدیده برای انتقال انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور حامل جریان‌های موازی هستند و میدان مغناطیسی ناشی از این جریان‌ها انرژی را از یک سیم‌پیچ به دیگری منتقل می‌کند.

2. موتورهای الکتریکی

در موتورهای الکتریکی، سیم‌پیچ‌های حامل جریان الکتریکی با استفاده از میدان‌های مغناطیسی، نیروی لازم برای حرکت را تولید می‌کنند. نیروی بین جریان‌های موازی در این سیستم‌ها نقش کلیدی ایفا می‌کند.

3. خطوط انتقال برق

در خطوط انتقال برق، سیم‌های حامل جریان الکتریکی معمولاً به صورت موازی قرار دارند. درک نیروهای بین این سیم‌ها به مهندسان کمک می‌کند تا بهترین فاصله و چینش سیم‌ها را برای به حداقل رساندن تلفات انرژی و جلوگیری از ایجاد نیروهای نامطلوب تعیین کنند.

سؤالات برای تفکر بیشتر

اگر فاصله بین دو سیم حامل جریان را دو برابر کنیم، نیروی بین آن‌ها چه تغییری می‌کند؟
چرا نیرو بین جریان‌های موازی تنها به طول سیم‌ها و فاصله بین آن‌ها بستگی دارد و نه به ضخامت سیم‌ها؟
آیا می‌توانید مثالی از یک وسیله خانگی که از نیروی بین جریان‌های موازی استفاده می‌کند، ارائه دهید؟
چه اتفاقی می‌افتد اگر جریان‌ها به جای ثابت، به شکل متناوب در سیم‌ها جاری باشند؟

جمع‌بندی

نیروی بین جریان‌های موازی یکی از مفاهیم کلیدی در فیزیک الکترومغناطیس است. این نیرو بر اساس جریان‌های عبوری از سیم‌ها و فاصله بین آن‌ها تعیین می‌شود و می‌تواند جاذب یا دافع باشد. با توجه به اهمیت این پدیده در دستگاه‌های الکتریکی مختلف مانند ترانسفورماتورها و موتورها، آشنایی دقیق با آن برای مهندسان و دانشمندان بسیار مهم است. درک این مفهوم به دانشجویان و متخصصان کمک می‌کند تا بتوانند با دقت بیشتری در طراحی سیستم‌های الکتریکی عمل کنند و تلفات انرژی را به حداقل برسانند.