آزمایشهای بلوندل مجموعهای از آزمایشهای فیزیکی هستند که آندره بلوندل، فیزیکدان فرانسوی، در سال ۱۹۱۴ برای تعیین جامعترین قانون القای الکترومغناطیسی انجام داد. بلوندل در این باره میگوید:
«بحثهای فراوانی بهطور مکرر درباره جامعترین قانون القا مطرح شده است: آیا باید نیروی محرکه الکتریکی را حاصل هرگونه تغییر شار مغناطیسیِ پیرامون یک رسانا دانست، یا ناشی از بریدن بخشی از این شار توسط خود رسانا؟»
در حالت اول، بلوندل به قانون فارادی-نومان اشاره میکند که غالباً بهعنوان جامعترین قانون شناخته میشود؛ اما در حالت دوم، به نیروی لورنتز ارجاع میدهد.
معمولاً آزمایشهای اثبات حالت اول، اندازهگیری جریان القاشده در یک مدار رسانای بسته در کنار میدان القای مغناطیسی یک آهنربا است که میدان آن در زمان تغییر میکند. اما برای اثبات حالت دوم، جریان القاشده را در مداری با شکل متغیر یا متحرک میسنجند که بهصورت عمودی یک میدان ثابت را میبُرد.
با این حال، در حالت دوم نیز تغییر شار مغناطیسی رخ میدهد؛ نه بهخاطر تغییر شدت میدان، بلکه به دلیل تغییر سطحی که میدان از آن میگذرد.
بلوندل از سوی دیگر دستگاهی نوین طراحی کرد که شار مغناطیسی کلِ عبوری از یک سیمپیچ، با تغییر پیوسته تعداد دورهای آن سیمپیچ، دستخوش تغییر میشود. در این روش، میدان و سطح برای هر حلقه ثابت است، اما شار کل با تعداد حلقههایی که در میدان قرار دارند تغییر میکند.
بنابراین، با در نظر گرفتن شارِ متصل به یک حلقه و تعداد کل حلقهها، طبق قانون فارادی-نومان، نیروی محرکه الکتریکیِ حاصل به تغییر تعداد دورها در واحد زمان بستگی دارد.
بلوندل چهار پیکربندی مختلف از دستگاه خود را آزمود و نشان داد که تغییر شار لزوماً همیشه در مداری که به آن متصل است، نیروی محرکه الکتریکی تولید نمیکند. او نتیجه گرفت قانون فارادی-نومان نمیتواند قانون جامع باشد.
شرح دستگاه
این دستگاه از یک آهنربای الکتریکی تشکیل شده است که هسته U شکل آن به دو صفحه موازی بزرگ ختم میشود. دو سیمپیچ القا، میدان مغناطیسی را در هسته ایجاد میکنند. بین دو صفحه، یک طبل چوبی چرخان قرار دارد که سیم الکتریکی عایقدار دور آن پیچیده شده است. سیم از مرکز طبل خارج شده و به یک حلقه رسانا متصل میشود که حلقه با طبل میچرخد و قطر آن در مقایسه با خود طبل بسیار ناچیز است. یک تماس لغزان، سیم را از طریق یک مقاومت به گالوانومتر وصل میکند تا هنگام چرخش طبل، جریان برقرار بماند.
به گالوانومتر، طبل دومی متصل شده است که آینه طبل اول است و به موتوری مجهز است تا سرعت قابلتنظیمی به آن بدهد. سیم الکتریکی پس از پیچیدن دور یک طبل، به طبل دیگر میرود و مدار را میبندد. با روشن شدن موتور، دورهای پیچیده شده دور یک طبل بیشتر و دور طبل دیگر کم میشود.
بلوندل سیم را به چهار شکل مختلف وصل کرد و آزمایشهای مجزایی انجام داد.
چهار آزمایش
آزمایش اول
سیمِ پیچیده شده دور طبل، مستقیماً به محور چرخش متصل است که تماس لغزان روی آن قرار دارد. با اتصال طبل دوم به موتور، طبلها به سرعت ثابت میرسند. با حفظ این سرعت برای حدود یک دقیقه، عقربه گالوانومتر حرکت کرده و حضور نیروی محرکه الکتریکی را نشان میدهد.
آزمایش دوم
سیمِ پیچیده شده دور طبل، به حلقه رسانایی با قطر برابر طبل متصل میشود که با آن یکپارچه میچرخد. تماس لغزان در لبه حلقه قرار دارد. در این حالت، برخلاف انتظارِ برآمده از آزمایش اصلی فارادی، گالوانومتر نشان میدهد که نیروی محرکه الکتریکی القاشده هنگام چرخش طبل صفر است.
چون بلوندل میترسید اعتراض شود که این نتیجه به دلیل خنثی شدن مسیرهای مختلف مدار است، آزمایش سوم را انجام داد.
آزمایش سوم
سیمِ دور طبل از طریق تماس لغزانی از لبه طبل، به لبه یک دیسک رسانای توپر موازی با طبل وصل میشود، اما دیسک ثابت است و با طبل نمیچرخد. تماس لغزان مستقیماً روی بخش مرکزی دیسک قرار میگیرد. در این حالت نیز نیروی محرکه الکتریکی صفر است.
بلوندل از دو نتیجه آخر نتیجه گرفت نیروی محرکه الکتریکی در آزمایش اول، نه به دلیل کاهش تدریجی شار، بلکه به دلیل بریدن شار توسط سیمی که مرکز سیمپیچ را به برس متصل میکند، ایجاد شده است. برای تایید قطعی این موضوع، آزمایش چهارم را انجام داد.
آزمایش چهارم
سیمِ دور طبل به لبه دیسکی توپر با قطر برابر طبل وصل میشود که با آن یکپارچه میچرخد. تماس لغزان روی مرکز دیسک قرار دارد. در این حالت، گالوانومتر نیروی محرکه الکتریکی دقیقاً برابری با آزمایش اول ثبت میکند. علاوه بر این، اگر دیسک را با ثابت نگهداشتن طبلها بچرخانید، باز هم همان نیروی محرکه ثبت میشود که تنها به دلیل بریدن خطوط میدان توسط بخشی از مدار است. همچنین با تغییر نقطه تماس از لبه به مرکز، نیروی محرکه القاشده با مساحت دایرهای که شعاع آن فاصله بین دو نقطه است، متناسب میشود. این نتیجه مشابه دیسک فارادی است.
نتیجهگیری
بلوندل از این آزمایشها دو نتیجه گرفت:
- وقتی میدان مغناطیسی ثابت باشد، تنها در صورتی نیروی محرکه الکتریکی وجود دارد که مدار خطوط نیروی میدان را ببُرد؛ مانند آزمایش اول. اگر چنین نباشد، حتی با تغییر شار کل عبوری از مدار، نیروی محرکهای ایجاد نمیشود؛ مانند آزمایش دوم.
- حالی که خط بستنِ مدار درون یک رسانای توپر حرکت میکند (اما رسانا ثابت است)، مانند آزمایش سوم، معادل حالتی نیست که کل رسانا حرکت کند؛ مانند آزمایش چهارم (که در این حالت نیروی لورنتز اثر میکند).
بنابراین باید از بیانهای بیش از حد عامِ قانون القا صرفنظر کرد و به این عبارت که «تغییر تعداد خطوط مغناطیسی عبوری از مدار نیروی محرکه ایجاد میکند»، این شرط را افزود: «و زمانی که این تغییر ناشی از بریدن خطوط نیرو توسط رسانا یا تغییر میدان خود القاگر باشد.»
در واقع، این آزمایشها نشان میدهند قانون پایه فارادی که تنها تغییر شار را در نظر میگیرد، نمیتواند قانون جامع القا باشد. برای رسیدن به فرمول جامع، باید سهم نیروی لورنتز را نیز در آن گنجاند.