Κατηγορίες: Προτεινόμενα άρθρα » Αρχάριοι ηλεκτρολόγοι
Αριθμός προβολών: 40673
Σχόλια σχετικά με το άρθρο: 0

Επαγωγείς και μαγνητικά πεδία. Μέρος 2. Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και επαγωγή

 

Το πρώτο μέρος του άρθρου: Επαγωγείς και μαγνητικά πεδία


Η σχέση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων

Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και επαγωγήΤα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα έχουν μελετηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά ποτέ δεν συνέβη κανείς να συνδέσει κάπως αυτές τις μελέτες μεταξύ τους. Και μόνο το 1820 ανακαλύφθηκε ότι ένας αγωγός ρεύματος ενεργεί στη βελόνα της πυξίδας. Η ανακάλυψη αυτή ανήκε στο Δανό φυσικό Hans Christian Oersted. Στη συνέχεια ονομάστηκε η μονάδα μέτρησης της ισχύος του μαγνητικού πεδίου στο σύστημα GHS: η ρωσική ονομασία E (Oersted), η αγγλική ονομασία Oe. Το μαγνητικό πεδίο έχει τέτοια ένταση σε κενό κατά την επαγωγή 1 Gauss.

Αυτή η ανακάλυψη πρότεινε ότι ένα μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να ληφθεί από ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Αλλά ταυτόχρονα, δημιουργήθηκαν σκέψεις σχετικά με την αντίστροφη μεταμόρφωση, δηλαδή, πώς να πάρουμε ένα ηλεκτρικό ρεύμα από ένα μαγνητικό πεδίο. Πράγματι, πολλές διαδικασίες στη φύση είναι αναστρέψιμες: πάγος λαμβάνεται από νερό, το οποίο μπορεί και πάλι να λιώσει σε νερό.

Μετά την ανακάλυψη του Oersted, η μελέτη αυτού του πλέον προφανή νόμου της φυσικής πήρε όσο και είκοσι δύο χρόνια. Ο αγγλικός επιστήμονας Michael Faraday ασχολήθηκε με την απόκτηση ηλεκτρικής ενέργειας από ένα μαγνητικό πεδίο. Έγιναν αγωγοί και μαγνήτες διαφόρων μορφών και μεγεθών και αναζητήθηκαν επιλογές για την αμοιβαία διευθέτησή τους. Και μόνο, προφανώς, τυχαία, ο επιστήμονας ανακάλυψε ότι για να αποκτήσει EMF στα άκρα του αγωγού, απαιτείται ένας ακόμη όρος - η κίνηση του μαγνήτη, δηλ. το μαγνητικό πεδίο πρέπει να είναι μεταβλητό.

Τώρα αυτό δεν εκπλήσσει κανέναν. Έτσι λειτουργούν όλες οι ηλεκτρικές γεννήτριες - ενώ περιστρέφονται με κάτι, παράγεται ηλεκτρική ενέργεια, λάμπει λάμπα. Σταμάτησε, σταμάτησε να στρέφει και το φως έλειπε.


Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή

Επομένως, το EMF στα άκρα του αγωγού εμφανίζεται μόνο εάν κινείται με κάποιο τρόπο σε ένα μαγνητικό πεδίο. Ή, πιο συγκεκριμένα, το μαγνητικό πεδίο πρέπει απαραίτητα να αλλάζει, να είναι μεταβλητό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, στη ρωσική ηλεκτρομαγνητική καθοδήγηση: σε αυτή την περίπτωση λένε ότι το EMF επάγεται στον αγωγό. Αν ένα φορτίο είναι συνδεδεμένο με μια τέτοια πηγή EMF, ένα ρεύμα θα ρεύσει στο κύκλωμα.

Το μέγεθος του επαγόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου εξαρτάται από διάφορους παράγοντες: το μήκος του αγωγού, την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου Β και σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα κίνησης του αγωγού στο μαγνητικό πεδίο. Όσο ταχύτερα περιστρέφεται ο ρότορας γεννήτριας, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στην έξοδο του.

Σημείωση: Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή (το φαινόμενο της εμφάνισης ενός ΗΜΓ στα άκρα ενός αγωγού σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο) δεν πρέπει να συγχέεται με τη μαγνητική επαγωγή - μια φυσική ποσότητα φορέα που χαρακτηρίζει το πραγματικό μαγνητικό πεδίο.


Τρεις τρόποι για να πάρετε EMF


Επαγωγή

Η μέθοδος αυτή εξετάστηκε. στο πρώτο μέρος του άρθρου. Αρκεί να μετακινήσετε τον αγωγό στο μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη ή αντίστροφα για να μετακινήσετε (σχεδόν πάντα με περιστροφή) το μαγνήτη κοντά στον αγωγό. Και οι δύο επιλογές σίγουρα θα σας επιτρέψουν να πάρετε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, η μέθοδος απόκτησης EMF καλείται επαγωγή. Είναι επαγωγή που χρησιμοποιείται για την απόκτηση EMF σε διάφορες γεννήτριες. Στα πειράματα του Faraday το 1831, ο μαγνήτης κινήθηκε σταδιακά μέσα στο σύρμα.


Αμοιβαία επαγωγή

Αυτό το όνομα δείχνει ότι δύο αγωγοί συμμετέχουν σε αυτό το φαινόμενο. Σε ένα από αυτά, ρέει ένα μεταβαλλόμενο ρεύμα, το οποίο δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο γύρω του. Εάν υπάρχει ένας άλλος αγωγός κοντά, τότε στα άκρα του υπάρχει ένα μεταβλητό EMF.

Αυτή η μέθοδος απόκτησης EMF ονομάζεται αμοιβαία επαγωγή.Είναι στην αρχή της αμοιβαίας επαγωγής ότι όλοι οι μετασχηματιστές λειτουργούν, μόνο οι αγωγοί τους γίνονται με τη μορφή των πηνίων, και οι πυρήνες κατασκευασμένοι από σιδηρομαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της μαγνητικής επαγωγής.

Αν το ρεύμα στον πρώτο αγωγό σταματήσει (ανοιχτό κύκλωμα) ή ακόμα και γίνει πολύ ισχυρό, αλλά σταθερό (δεν υπάρχουν αλλαγές), τότε στα άκρα του δεύτερου αγωγού δεν μπορεί να ληφθεί EMF. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μετασχηματιστές λειτουργούν μόνο με εναλλασσόμενο ρεύμα: εάν μια γαλβανική μπαταρία είναι συνδεδεμένη στο πρωτεύον τύλιγμα, τότε σίγουρα δεν θα υπάρχει τάση στην έξοδο του δευτερεύοντος τυλίγματος.

Το EMF στη δευτερεύουσα περιέλιξη προκαλείται μόνο όταν αλλάξει το μαγνητικό πεδίο. Επιπλέον, όσο ισχυρότερη είναι η ταχύτητα αλλαγής, δηλαδή η ταχύτητα και όχι η απόλυτη τιμή, τόσο μεγαλύτερο είναι το επαγόμενο EMF.

Τρεις τρόποι για να πάρετε EMF

Αυτόματη επαγωγή

Αν αφαιρέσετε τον δεύτερο αγωγό, τότε το μαγνητικό πεδίο στον πρώτο αγωγό θα διαπεράσει όχι μόνο τον περιβάλλοντα χώρο, αλλά και τον ίδιο τον αγωγό. Έτσι, υπό την επίδραση του πεδίου του στον επαγωγικό EMF, που ονομάζεται EMF της αυτό-επαγωγής.

Τα φαινόμενα αυτεπαγωγής το 1833 μελετήθηκαν από τον Ρώσο επιστήμονα Lenz. Με βάση αυτά τα πειράματα, βρέθηκε ένα ενδιαφέρον πρότυπο: το EMF της αυτό-επαγωγής πάντα αντιδρά, αντισταθμίζει το εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που προκαλεί αυτό το EMF. Αυτή η εξάρτηση ονομάζεται κανόνας Lenz (δεν πρέπει να συγχέεται με τον νόμο Joule-Lenz).

Το σύμβολο μείον στον τύπο μιλάει για την εξουδετέρωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου από την αυτοεπαγωγή από τις αιτίες του. Εάν το πηνίο είναι συνδεδεμένο σε μια πηγή συνεχούς ρεύματος, το ρεύμα θα αυξηθεί αρκετά αργά. Αυτό είναι πολύ αισθητό όταν το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή "καλείται" με ωμόμετρο δείκτη: η ταχύτητα του βέλους προς την κατεύθυνση της μηδενικής διαίρεσης κλίμακας είναι αισθητά χαμηλότερη από ό, τι κατά τον έλεγχο αντιστάσεων.

Όταν το πηνίο είναι αποσυνδεδεμένο από την πηγή ρεύματος, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο EMF προκαλεί σπινθήρα των επαφών του ρελέ. Στην περίπτωση που το πηνίο ελέγχεται από ένα τρανζίστορ, για παράδειγμα, ένα πηνίο ρελέ, μια δίοδος τοποθετείται παράλληλα προς αυτήν σε αντίθετη κατεύθυνση σε σχέση με την πηγή ισχύος. Αυτό γίνεται για να προστατεύονται τα στοιχεία ημιαγωγών από την επίδραση της αυτόματης επαγωγής EMF, η οποία μπορεί να είναι δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες φορές υψηλότερη από την τάση της πηγής ισχύος.

Για τη διεξαγωγή πειραμάτων, ο Lenz δημιούργησε μια ενδιαφέρουσα συσκευή. Δύο δακτύλιοι αλουμινίου είναι στερεωμένοι στα άκρα του βραχίονα ροπής αλουμινίου Ένας δακτύλιος είναι συμπαγής και ο άλλος κόπηκε. Το ροκ περιστρέφεται ελεύθερα στη βελόνα.

αυτο-επαγωγή

Όταν ένας μόνιμος μαγνήτης εισήχθη σε ένα συμπαγές δακτύλιο, "διέφυγε" από τον μαγνήτη, και όταν ο μαγνήτης αφαιρέθηκε, το αναζητούσε. Οι ίδιες ενέργειες με το δακτύλιο κοπής δεν προκάλεσαν καμία κίνηση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε ένα συνεχές δακτύλιο υπό την επίδραση ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου προκύπτει ένα ρεύμα που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αλλά στον ανοιχτό δακτύλιο δεν υπάρχει ρεύμα, επομένως, δεν υπάρχει ούτε μαγνητικό πεδίο.

Μια σημαντική λεπτομέρεια αυτού του πειράματος είναι ότι εάν ένας μαγνήτης εισέλθει στον δακτύλιο και παραμείνει ακίνητος, τότε δεν παρατηρείται καμία αντίδραση του δακτυλίου αλουμινίου με την παρουσία του μαγνήτη. Αυτό επιβεβαιώνει και πάλι ότι το EMF επαγωγής εμφανίζεται μόνο σε περίπτωση αλλαγής του μαγνητικού πεδίου και το μέγεθος του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου εξαρτάται από το ρυθμό μεταβολής. Σε αυτή την περίπτωση, απλά από την ταχύτητα κίνησης του μαγνήτη.

Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για την αμοιβαία επαγωγή και την αυτοεπαγωγή, μόνο μια αλλαγή στην ισχύ του μαγνητικού πεδίου, πιο συγκεκριμένα, ο ρυθμός αλλαγής εξαρτάται από το ρυθμό μεταβολής του ρεύματος. Για να δείξουμε αυτό το φαινόμενο, μπορούμε να δώσουμε ένα παράδειγμα.

Αφήστε τα μεγάλα ρεύματα να περάσουν από δύο αρκετά μεγάλα πανομοιότυπα πηνία: μέσω του πρώτου πηνίου 10Α και μέσω του δεύτερου έως 1000, με τα ρεύματα να αυξάνονται γραμμικά στα δύο πηνία. Ας υποθέσουμε ότι σε ένα δευτερόλεπτο το ρεύμα στο πρώτο πηνίο άλλαξε από 10 σε 15Α και στη δεύτερη από 1000 έως 1001Α, πράγμα που προκάλεσε την εμφάνιση του EMF αυτοεπικοινωνίας και στα δύο πηνία.

Αλλά, παρά την τεράστια τιμή του ρεύματος στο δεύτερο πηνίο, το EMF αυτοεπικοινωνίας θα είναι μεγαλύτερο στην πρώτη, δεδομένου ότι ο ρυθμός μεταβολής του ρεύματος είναι 5Α / s, και στη δεύτερη είναι μόνο 1Α / s. Μετά από όλα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ηλεκτροπαραγωγής (self-induction) εξαρτάται από το ρυθμό αύξησης του ρεύματος (διαβάστε το μαγνητικό πεδίο) και όχι από την απόλυτη τιμή του.


Επαγωγή

Οι μαγνητικές ιδιότητες του πηνίου με το ρεύμα εξαρτώνται από τον αριθμό των στροφών, τις γεωμετρικές διαστάσεις. Μία σημαντική αύξηση του μαγνητικού πεδίου μπορεί να επιτευχθεί με την εισαγωγή ενός σιδηρομαγνητικού πυρήνα στο πηνίο. Οι μαγνητικές ιδιότητες του πηνίου μπορούν να κριθούν με επαρκή ακρίβεια από το μέγεθος της έμφυσης επαγωγής, αμοιβαίας επαγωγής ή αυτοεπαγωγής. Όλα αυτά τα φαινόμενα εξετάστηκαν παραπάνω.

Το χαρακτηριστικό του πηνίου, το οποίο μιλάει γι 'αυτό, ονομάζεται συντελεστής αυτεπαγωγής (απλή επαγωγή) ή απλά αυτεπαγωγή. Στους τύπους, η αυτεπαγωγή δηλώνεται με το γράμμα L, και στα διαγράμματα το ίδιο γράμμα υποδηλώνει τα πηνία επαγωγής.

Η μονάδα επαγωγής είναι Henry (GN). Η επαγωγή 1Η έχει ένα πηνίο στο οποίο, όταν το ρεύμα αλλάζει κατά 1Α ανά δευτερόλεπτο, παράγεται ένα EMF 1V. Αυτή η τιμή είναι αρκετά μεγάλη: οι περιελίξεις δικτύου των επαρκώς ισχυρών μετασχηματιστών έχουν επαγωγή ενός ή περισσότερων GN.

Επομένως, πολύ συχνά χρησιμοποιούν τιμές μικρότερης τάξης, δηλαδή milli και micro-henry (mH και μH). Τέτοια πηνία χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Μία από τις εφαρμογές των πηνίων είναι τα ταλαντωτικά κυκλώματα σε συσκευές ραδιοσυχνοτήτων.

Επίσης, τα πηνία χρησιμοποιούνται ως στραγγαλιστικά πηνία, ο κύριος σκοπός του οποίου είναι να παρακάμψουν το συνεχές ρεύμα χωρίς απώλειες ενώ εξασθενίζουν το εναλλασσόμενο ρεύμα (φίλτρα σε τροφοδοτικά) Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα λειτουργίας, τόσο λιγότεροι πηνία επαγωγής απαιτούνται.


Επαγωγή

Αν πάρετε έναν επαρκώς ισχυρό μετασχηματιστή δικτύου και μέτρηση με ένα πολύμετρο αντίσταση της πρωτεύουσας περιέλιξης, αποδεικνύεται ότι είναι μόνο μερικά ohms, και ακόμη και κοντά στο μηδέν. Αποδεικνύεται ότι το ρεύμα μέσω μιας τέτοιας περιέλιξης θα είναι πολύ μεγάλο, και μάλιστα τείνει στο άπειρο. Ένα βραχυκύκλωμα φαίνεται αναπόφευκτο! Γιατί δεν είναι;

Μία από τις κύριες ιδιότητες των επαγωγέων είναι η επαγωγική αντίσταση, η οποία εξαρτάται από την επαγωγή και τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που συνδέεται με το πηνίο.

Είναι εύκολο να παρατηρήσουμε ότι με την αύξηση της συχνότητας και της αυτεπαγωγής, η επαγωγική αντίσταση αυξάνεται και στο συνεχές ρεύμα γενικά γίνεται ίση με μηδέν. Επομένως, κατά τη μέτρηση της αντίστασης των πηνίων με ένα πολύμετρο, μετράται μόνο η ενεργή αντίσταση του σύρματος.

Ο σχεδιασμός των επαγωγέων είναι πολύ διαφορετικός και εξαρτάται από τις συχνότητες στις οποίες λειτουργεί το πηνίο. Παραδείγματος χάριν, για εργασία στην κλίμακα δεκατμών ραδιοκυμάτων, τα πηνία που παράγονται από τυπωμένα καλώδια χρησιμοποιούνται αρκετά συχνά. Στη μαζική παραγωγή, αυτή η μέθοδος είναι πολύ βολική.

Η επαγωγή ενός πηνίου εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις του, τον πυρήνα, τον αριθμό των στρώσεων και το σχήμα. Επί του παρόντος, παράγεται επαρκής αριθμός τυπικών επαγωγέων, παρόμοια με τις συμβατικές τερματικές αντιστάσεις. Αυτά τα πηνία επισημαίνονται με έγχρωμους δακτυλίους. Υπάρχουν επίσης πηνία επιφανειακής τοποθέτησης που χρησιμοποιούνται ως τσοκ. Η αυτεπαγωγή τέτοιων πηνίων είναι μερικές χιλιάδες.

Δείτε επίσης στο i.electricianexp.com:

  • Πώς να εντοπίσετε τους κλειστούς βρόχους
  • Επαγωγείς και μαγνητικά πεδία
  • Πώς μετατρέπεται η τάση στο ρεύμα
  • Πώς να φτιάξετε ηλεκτρομαγνήτη στο σπίτι
  • Το μαγνητικό πεδίο της Γης

  •