آیا میتوانید پدیده ای که در فیلم ضمیمه رخ میدهد را تحلیل کنید؟

باسمه تعالی

بعضی وقتها خوب است که مطالبی که در دبیرستان یاد گرفته ایم را مرور کرده تا ببینیم چه مقدار از آن را هنوز به یاد داریم.

پزشکی متخصص را به یاد دارم که فرزند خود را برای امتحان نهایی کلاس پنجم ابتدایی برده بود، و وقتی سئوال ها را مشاهده کرده بود، خوشحال بود که از او امتحان نمی گیرند، چون جواب خیلی از آنها را بلد نبود.

فیلمی که در این لینک ضمیمه کرده ام، پدیده ای فیزیکی را نشان میدهد. شخصا بارها آنرا نگاه کردم و هیچ از اینکه چه اتفاقی دارد می افتد، سر در نیاوردم. تا اینکه از جناب استاد حازم فریپور سئوال کردم و ایشان توضیحات خوبی را ارائه  فرمودند. توصیه میکنم قبل از اینکه توضیحات ذیل را ملاحظه بفرمایید، اول فیلم را به دقت مشاهده کرده و سعی کنید شخصا نحوه کار و پدیده ای را که رخ میدهد، تحلیل کنید.

--- یک لوله مسی تو خالی به صورت یک سیم پیچ با میدان غیر یکنواخت در آمده و از آن جریانی بسیار بالا (چند ده آمپر) با فرکانس بالا (چند صد کیلو هرتز یا چند مگاه هرتز) عبور می­کند.

--- از داخل لوله آب عبور می­کند تا آن را خنک نگه دارد و ذوب  نشود.

--- یک قطعه فلزی (مثلا آلومینیوم) وارد میدان متناوب می­شود و خطوط میدان را قطع می­کند. جریانهای القایی فوکو به صورت گردابی درون آن بوجود می­آید. به دلیل شدت بالا و فرکانس بالای میدان مغناطیسی، این جریانهای گردابی بسیار قوی هستند.

--- شدت بالای جریانهای گردابی، قطعه فلزی را گرم و گداخته می­کنند.

--- طبق قانون لنز، این جریانها به گونه ای به وجود می آیند که با تغییرات میدان مغناطیسی متغییر اولیه مخافت ­کنند. این موضوع باعث می­شود تا  نیروهایی بر قطعه فلزی وارد شود که مانع ورود آن به حوزه میدان می­شود و بخواهند که قطعه را بر خلاف نیروی جاذبه زمین به سمت بالا دفع کنند.

--- سیم پیچ به گونه ای پیچیده شده که میدان یکنواختی ایجاد نمی کند یا به اصطلاح، میدان گرادیان دارد به گونه ای که هرچه قطعه به سمت پایین برود، در میدان متغییر شدیدتری قرار می­گیرد و نیروی دافعه شدیدتری به آن وارد می­شود. این امر باعث پایداری عمودی می­شود. یعنی قطعه تا جایی درون سیم پیچ پایین می­رود که نیروی دافعه رو به بالا، با نیری جاذبه خنثی شود.

--- در این جا تعادل عمومی به سادگی فوق الذکر حاصل می­شود ولی تحلیل چگونگی تعادل افقی کار پیچیده ای است. ولی به طور خلاصه این طور است که اگر قطعه معلق بخواهد از محور سیم پیچ کمی در راستای افقی جابجا شود، به سیمها نزدیکتر شده و وارد میدانی قوی تر می­شود و نیروی دافعه ناشی از جریانهای القایی، طبق قانون لنز در جهت خلاف این حرکت است و آن را به جای قبلی خود باز می­گرداند.

--- نکته کلیدی در این مسئله ، غیر یکنواخت بودن میدان در هر دو راستای عمودی و افقی یا همان گرادیان دو بعدی میدان است . اگر از یک سیم پیچ بلند یکنواخت مرتب و فشرده استفاده شود، این نتیجه حاصل نمی شود.