4 قانون مهم فیزیکی

قانون لنز

مقدمه

طبق قوانین القای الکترومغناطیسی اگر شارمغناطیسی گذرا از مدار تغییر کند، نیرو محرکه الکتریکی در مدار جاری می شود. با برقراری نیرو محرکه القایی در مدار، جریان الکتریکی القایی در آن جاری می شود. طبق قانون لنز جهت جریان القایی در مدار در جهتی است که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییرات شار مغناطیسی گذرا از مدار مخالفت می کند. اگر چکشی را از بالای نردبانی رها کنیم، هیچ نیازی به قاعده‌ای که بگوید چکش به طرف مرکز زمین یا در جهت مخالف آن حرکت می‌کند، نداریم. اگر در این موقع کسی از ما بپرسد که از کجا می‌دانید که چکش سقوط خواهد کرد، بهترین پاسخی که می‌توانیم بدهیم این است که بگوییم، همیشه به این صورت بوده است و اگر بخواهیم جوابمان علمی‌تر باشد، می‌توانیم بگوییم که زمانی که چکش سقوط می‌کند، انرژی پتانسیل گرانشی آن کاهش می‌یابد و برعکس انرژی جنبشی آن افزایش پیدا می‌کند.

اما اگر چکش به جای سقوط ، به طرف بالا برود، در این صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آن هر دو افزایش پیدا می‌کنند و این موضوع پایستگی یا بقای انرژی را نقض می‌کند. استدلال مشابه را می‌توان در مورد تعیین جهت نیروی محرکه الکتریکی که با تغییر شار مغناطیسی در یک مدار القا می‌شود، بکار برد، یعنی در این مورد اخیر نیروی محرکه القایی باید در جهتی باشد که با اصل پایستگی سازگار باشد و این با استفاده از قانون لنز توضیح داده می‌شود.

تاریخچه

در سال 1834 ، یعنی سه سال بعد از این که فاراده قانون القا خود را ارائه داد (قانون القا فاراده)، هاینریش فریدریش لنز (Heinrich Friedrich Lenz) قاعده معروف خود را که به قانون لنز معروف است، برای تعیین جهت جریان القایی در یک حلقه رسانای بسته ارائه داد. این قانون به صورت یک علامت منفی در قانون القای فاراده ظاهر می‌گردد. به این معنی که در رابطه نیروی محرکه القایی یک علامت منفی قرار داده و اعلام کنند که این علامت بیانگر قانون لنز است.

تشریح قانون لنز

حلقه رسانایی را در نظر بگیرید که به یک گالوانومتر حساس متصل است. حال آهنربایی را در دست گرفته و به آرامی به این حلقه ، نزدیک کنید. ملاحظه می‌گردد که با نزدیک شدن آهنربا به حلقه عقربه گالوانومتر منحرف شده و وجود جریانی را در مدار نشان می‌دهد. این جریان را جریان القایی می‌گویند. حلقه جریان ، مانند آهنربای میله‌ای ، دارای قطب‌های شمال و جنوب است.

حال اگر آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز هم گالوانومتر منحرف می‌شود، اما این بار انحراف در جهت مخالف است و این امر نشان دهنده این مطلب است که جریان در جهت مخالف در حلقه جاری شده است. اگر میله آهنربا را سر و ته کنیم و آزمایش را تکرار کنیم، باز همان نتایج حاصل خواهد شد، جز این که جهت انحراف‌های عقربه گالوانومتر عوض خواهند شد. برای تشریح این آزمایش با استفاده از قانون لنز به صورت زیر عمل می‌کنیم:

زمانی که آهنربا را به آرامی به حلقه نزدیک می‌کنیم، تعداد خطوط شار مغناطیسی که از حلقه می‌گذرد، تغییر می‌کند و همین امر سبب ایجاد یا القا جریان در حلقه می‌شود و چون در ابتدا هیچ جریانی وجود نداشت، این جریان باید در جهتی باشد که با هل دادن آهنربا به سمت حلقه مخالفت کند. برعکس ، اگر بخواهیم آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز جهت جریان در حلقه عوض شده و از دور کردن آن جلوگیری می‌کند. یعنی در حالت اول اگر قطب N آهنربای میله‌ای در طرف حلقه باشد، جریان القایی در حلقه به گونه‌ای خواهد بود که در برابر آن یک قطب N ایجاد کند تا مانع نزدیک شدن آهنربا شود.

حال زمانی که آهنربا را از حلقه دور می‌کنیم، حلقه جهت جریان خود را عوض نموده و با ایجاد قطب S ، آهنربا را جذب کرده و مانع از دور کردن آن می‌شود.

قانون لنز و پایستگی انرژی

اگر توضیحات فوق بر اساس قانون لنز نبوده و عکس آن چیزی که گفته شد، اتفاق بیفتد، یعنی اگر جریان القایی به تغییری که باعث بوجود آمدن آن شده است، کمک کند، قانون بقای انرژی نقض می‌شود، یعنی اگر هنگام نزدیک کردن قطب آهنربا به حلقه در برابر آن قطب مخالف S ایجاد شده و آهنربا را جذب کند، در این صورت آهنربا باید به طرف حلقه شتاب پیدا کند و رفته رفته انرژی جنبشی آن افزایش پیدا کند و در همین هنگام انرژی گرمایی نیز ظاهر می‌شود. یعنی در واقع از هیچ ، انرژی بوجود می‌آید. بدیهی است که چنین عملی هرگز نمی‌تواند درست باشد.

بنابراین می‌توان گفت که قانون لنز چیزی جز بیان اصل بقای انرژی نیست که بطور مناسب در مورد مدارهای حامل جریان القایی بکار می‌رود.

ویژگی قانون لنز

قانون لنز مربوط به جریانهای القایی است و در مورد نیروی محرکه القایی صادق نیست، یعنی این قانون فقط در مورد حلقه‌های رسانا بکار می‌رود. اگر مدار باز باشد، معمولا می‌توان تصور کرد که اگر بسته بود چه اتفاقی می‌افتاد و بدین وسیله جهت نیروی محرکه القایی را معین نمود. مثلا اگر شار مغناطیسی گذرا از مدار به صورت درون سو باشد و کاهش پیدا کند، جریان الکتریکی در مدار القا می شود، که جهت این جریان القایی به صورت ساعتگرد خواهد بود تا میدان مغناطیسی حاصل از آن باعث تقویت میدان مغناطیسی شار گذرا از مدار باشد.

و اگر این شار افزایش یابد، جهت جریان القایی در جهتی خواهد بود که میدان مغناطیسی حاصل از آن بر خلاف جهت میدان شار باشد. پس جهت جریان پاد ساعتگرد است. بنابراین برای تشخیص جهت جریان القایی کافیست، با توجه به میدان شار گذرا از مدار، جریان را در جهتی اختیار کنیم که میدان مغناطیسی حاصل از آن با برخلاف تغییرات میدان مغناطیسی شار باشد.

قانون گاوس در الکتریسیته


	تعداد کل خطوط نیرویی که بطور عمود از یک سطح بسته نامعینی (که در داخل آن بار الکتریکی یا توزیع باری وجود دارد که می‌‌خواهیم میدان حاصل از آن را محاسبه کنیم)، خارج می‌‌شود، معادل بار خالصی است که در داخل آن سطح بسته قرار دارد. در این رابطه ε کمیتی است که ثابت گذردهی الکتریکی محیط نام دارد.

قانون القای فارادی

اطلاعات اولیه

قانون القای فاراده خیلی بیشتر از آنچه قابل تصور است، به ما نزدیک می‌باشد. به عنوان مثال ، اگر سیم برقی را که به یک پریز برق در منزل وصل شده است، دنبال کنیم، ممکن است تا نقاط دور دست ادامه داشته باشد. اگر به گونه‌ای قادر باشیم که این سیمها را دنبال کنیم، حتما به یک مولد برق خواهیم رسید که بر اساس قانون القای فاراده ، بین سیمها اختلاف پتانسیل برقرار کرده است. در مسیر حرکت خود از پریز برق خانه تا مولد ، با چندین ترانسفورماتور برخورد خواهیم کرد که در آنها نیز از قانون القای فاراده استفاده می‌شود. کار این ترانسفورماتورها افزایش یا کاهش اختلاف پتانسیل میان سیمها می‌باشد.

شار مغناطیسی

یک سیم حلقه‌ای را در نظر بگیرید که در یک میدان مغناطیسی با اندازه B قرار دارد. تعداد خطوط میدان مغناطیسی که از داخل این سطح بسته عبور می‌کند را به عنوان شار مغناطیسی تعریف کرده و با نماد phi_β نشان می‌دهند.

بیان قانون القای فارادی

قانون القای فارادی بیان می‌کند که هرگاه شار مغناطیسی گذرنده از یک مدار (مسیر بسته‌ای که دو سر آن به یک گالوانومتر حساس متصل است)، به نحوی تغییر کند، آن عمل باعث ایجاد یک نیروی محرکه القایی در مدار می‌شود که به وسیله گالوانومتر قابل مشاهده است. نیروی محرکه القایی با آهنگی که شار مغناطیسی گذرنده از مدار بر حسب زمان تغییر می‌کند، برابر است. البته لازم به ذکر است که نیروی محرکه القایی با مقدار منفی تغییرات شار مغناطیسی گذرنده از مدار متناسب است و این علامت منفی از قانون لنز حاصل می‌گردد.

قانون لنز

قانون لنز بیان می‌کند که در یک حلقه رسانای بسته جریان القایی در جهتی برقرار می‌شود که با تغییری که آن را بوجود می‌آورد، مخالفت کند. این قانون که برای جلوگیری از نقض اصل پایستگی انرژی بیان می‌شود، مربوط به جریانهای القایی است و در مورد نیروی محرکه القایی صادق نیست.

به بیان دیگر ، این قانون فقط در مورد حلقه‌های رسانای بسته بکار می‌رود. اگر حلقه نباشد، معمولا می‌توان تصور کرد که اگر بسته بود، چه اتفاقی می‌افتاد و از این راه می‌توان جهت نیروی محرکه القایی را معین نمود. اگر طبق قانون لنز عکس آن چیزی که گفته شد، عمل شود، یعنی اگر جریان القایی به تغییری که باعث بوجود آمدنش شده است، کمک کند، در این صورت قانون پایستگی انرژی نقض می‌شود.

عوامل ایجاد کننده نیروی محرکه القایی

گفتیم که نیروی محرکه القایی با آهنگ تغییرات شار مغناطیسی نسبت به زمان متناسب است. اما با توجه به تعریف شار مغناطیسی این تغییر می‌تواند به روش‌های مختلف صورت گیرد. به عبارت دیگر ، چون شار مغناطیسی با انتگرال سطحی بسته حاصلضرب داخلی B و عنصر دیفرانسیلی سطح برابر است، لذا کافی است که هر کدام از کمیتهای B (میدان مغناطیسی) ، A (مساحت مدار بسته) و θ (زاویه بین B و بردار dA که عمود بر سطح مدار و به طرف خارج است) تغییر کند.

یک مثال علمی

حلقه بسته‌ای را در نظر بگیرید که دو سر آن به یک گالوانومتر متصل است. حال اگر یک آهنربای الکتریکی را به طرف حلقه نزدیک و از آن دور کنیم، ملاحظه می‌گردد که عقربه گالوانومتر منحرف می‌شود. بنابراین در مدار ، نیروی محرکه القا می‌شود.

قانون صفرم ترمودینامیک

در زبان یونانی Thermos به معنای “گرما و حرارت” و Dynamic به معنای “تغییرات” می باشد و لغت Thermodynamic بیا

نگر شاخه ای از علم فیزیک می باشد که به بررسی رفتار خواص کلی سیستم ها مانند فشار، دما، انرژی داخلی، حجم، آنتروپی و ... می پردازد. از جمله مسایل مورد علاقه این علم می توان به بررسی قوانین حاکم بر تبدیل انرژی گرمایی به کار اشاره. قوانین اصلی حاکم بر این علم بسیار جالب بوده و مصادیق بسیاری در سایر علوم تجربی و نظری نیز دارند سعی خواهیم کرد که طی چند مطلب به تشریح ساده آنها بپردازیم.
قانون صفرم (Zeroth law)
برای هیچ یک از ما شکی وجود ندارد هنگامی که یک لیوان آب جوش را در یک ظرف بزرگتر آب سرد قرار می دهیم، پس از گذشت زمان لازم دمای آب درون لیوان و آب بیرون آن - درون ظرف بزرگتر - یکسان می شود. اینگونه بنظر می آید که میان دو منبع - منظور لیوان آب جوش و ظرف آب سرد - مفهومی بنام گرما به حرکت در می آید و از جایی که بیشتر است به سمت جایی که کمتر است حرکت می کند تا به تعادل گرمایی برسند.
مثال دیگر آنکه هنگامی که یک لیوان آب یخ را بدست میگیرد بوضوح احساس می کنید چیزی - بنام گرما - از دست شما به سمت لیوان جاری می شود و ضمن سرد کردن دست شما به گرم کردن لیوان مشغول می شود. نمونه معکوس حالتی است که شما یک لیوان چای داغ را در درست می گیرد. در هر دو مورد اگر لیوان ها را برای مدت طولانی در دست نگاه داریم دیگر احساس خاصی نخواهیم داشت و دمای لیوان ها با دمای بدن ما یکسان می شود.
این نمونه تجربه های به ظاهر ساده مصادیقی از قانون صفرم ترمودینامیک می باشند که معمولآ به اینصورت بیان می شود : “اگر A و B با جسم سومی مانند C در تعادل گرمایی باشند، حتمآ با یکدیگر نیز در تعادل خواهند بود.”
دقت کنید که این خاصیت اگر چه بنظر ساده می آید اما در تمام موارد یکسان نیست و حتی شاید به نوعی ابهام هم داشته باشد. بعنوان مثال دلیلی وجود ندارد، اگر آقای A، گربه C را دوست داشته باشد و آقای B هم این گربه را دوست داشته باشد، در آنصورت آقایان A و B به یکدیگر علاقه داشته باشند.
قانون صفرم ترمودینامیک در واقع تاکیدی است بر وجود یک کمیت بنام دما که مقدار آن در سیستم های ترمودینامیکی در حال تعادل یکسان می باشد. مشابه این قانون اگرچه در فیزیک الکتریسیته تعریف خاصی شاید نداشته باشد وجود دارد. شما وقتی دو منبع با پتانسیل های مختلف الکتریکی را از طریق یک سیم هادی به یکدیگر متصل کنید و مدار بسته ای تشکیل دهید، جریان الکتریسیته آنقدر در مدار جاری خواهد بود - و تلف خواهد شد - تا پتانسیل دو منبع یکسان شود.
علت آنکه این قانون با شماره صفر مشخص می شود آن است که بسیار پایه ای بوده و نیز پس از گذشت سالها اسفتاده از سایر قوانین ترمودینامیک، در اوایل قرن بیستم به جمع قوانین ترمودینامیک پیوسته است.

4 قانون مهم فیزیکی

مطالب مشابه :