משרנים ושדות מגנטיים. חלק 2. אינדוקציה אלקטרומגנטית ושראות

החלק הראשון של המאמר: משרנים ושדות מגנטיים

הקשר של שדות חשמליים ומגנטיים

תופעות חשמליות ומגנטיות נחקרו במשך זמן רב, אך מעולם לא עלה על דעת אף אחד להתייחס איכשהו למחקרים אלה זה לזה. ורק בשנת 1820 התגלה שמוליך זרם פועל על מחט המצפן. תגלית זו שייכת לפיזיקאי הדני האנס כריסטיאן אורסטד. בהמשך נקראה יחידת המדידה של חוזק השדה המגנטי במערכת GHS על שמו: הכינוי הרוסי E (Oersted), הכינוי האנגלי Oe. השדה המגנטי הוא בעל עוצמה כזו בוואקום במהלך אינדוקציה של גאוס 1.

תגלית זו העלתה כי ניתן להשיג שדה מגנטי מזרם חשמלי. אך יחד עם זאת עלו מחשבות על הטרנספורמציה ההפוכה, היינו כיצד להשיג זרם חשמלי משדה מגנטי. אכן, תהליכים רבים בטבע הם הפיכים: קרח מתקבל ממים, אשר שוב ניתן להמיס אותם למים.

לאחר גילויו של אורסטד, המחקר של חוק הפיזיקה המובן מאליו זה ארך עד עשרים ושניים שנים. המדען האנגלי מייקל פאראדיי עסק בהשגת חשמל משדה מגנטי. נעשו מוליכים ומגנטים בצורות ובגדלים שונים ונבחרו אפשרויות לסידורם ההדדי. ורק, ככל הנראה, במקרה, המדען גילה שכדי להשיג EMF בקצות המוליך יש צורך במונח נוסף אחד - תנועת המגנט, כלומר השדה המגנטי חייב להיות משתנה.

עכשיו זה לא מפתיע אף אחד. כך עובדים כל הגנרטורים החשמליים - בזמן שמסתובבים עם משהו נוצר חשמל, נורה מאירה. עצר, הפסיק להסתובב, והאור כבה.

אינדוקציה אלקטרומגנטית

כך, EMF בקצות המוליך מתרחש רק אם הוא מועבר בצורה מסוימת בשדה מגנטי. או ליתר דיוק, השדה המגנטי חייב בהכרח להשתנות, להיות משתנה. תופעה זו נקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית, בהנחיה אלקטרומגנטית רוסית: במקרה זה הם אומרים כי EMF נוצר במוליך. אם עומס מחובר למקור EMF כזה, זרם יזרום במעגל.

גודל ה EMF המושרה תלוי בכמה גורמים: אורך המוליך, השראת השדה המגנטי B ובמידה רבה במהירות התנועה של המוליך בשדה המגנטי. ככל שמסתובב רוטור הגנרטור מהיר יותר, כך מתח המוצא שלו גבוה יותר.

הערה: אין להתבלבל בין אינדוקציה אלקטרומגנטית (תופעת התרחשות EMF בקצוות של מוליך בשדה מגנטי מתחלף) עם אינדוקציה מגנטית - כמות פיזית וקטורית המאפיינת את השדה המגנטי בפועל.

שלוש דרכים להשיג EMF

אינדוקציה

נבדקה שיטה זו. בחלק הראשון של המאמר. מספיק להזיז את המוליך בשדה המגנטי של המגנט הקבוע, או להפך כדי להזיז (כמעט תמיד על ידי סיבוב) את המגנט ליד המוליך. שתי האפשרויות בהחלט יאפשרו לכם לקבל שדה מגנטי מתחלף. במקרה זה, שיטת השגת EMF נקראת אינדוקציה. זוהי אינדוקציה המשמשת להשגת EMF בגנרטורים שונים. בניסויים של פאראדיי בשנת 1831, המגנט נע בהדרגה בתוך סליל התיל.

אינדוקציה הדדית

שם זה מציע לשני מוליכים לקחת חלק בתופעה זו. באחד מהם זורם זרם משתנה, היוצר סביבו שדה מגנטי מתחלף. אם יש ליד מוליך אחר, אז בקצותיו יש EMF משתנה.

שיטה זו להשגת EMF נקראת אינדוקציה הדדית.על פי עיקרון האינדוקציה ההדדית, כל השנאים עובדים, רק המוליכים שלהם נעשים בצורה של סלילים, וליבות העשויות מחומרים פרומגנטיים משמשים להגברת האינדוקציה המגנטית.

אם הזרם במוליך הראשון נעצר (מעגל פתוח), או אפילו מתחזק מאוד, אך קבוע (אין שינויים), אז בקצות המוליך השני לא ניתן להשיג EMF. זו הסיבה שהשנאים פועלים רק על זרם חילופין: אם סוללה גלוונית מחוברת לסלילה הראשונית, בהחלט לא יהיה מתח בפלט של הפיתול המשני.

EMF בסלילה המשנית נוצר רק כאשר השדה המגנטי משתנה. יתר על כן, ככל שקצב השינוי חזק יותר, כלומר המהירות ולא הערך המוחלט, כך גדל ה- EMF המושרה.

אינדוקציה עצמית

אם תסיר את המוליך השני, אז השדה המגנטי במוליך הראשון יחלחל לא רק לחלל שמסביב, אלא גם למוליך עצמו. לפיכך, תחת השפעת התחום שלו המוליך EMF המושרה, המכונה EMF של אינדוקציה עצמית.

תופעות ההשראה העצמית בשנת 1833 נחקרו על ידי המדען הרוסי לנץ. על סמך ניסויים אלה, נמצא דפוס מעניין: ה- EMF של אינדוקציה עצמית תמיד מנגד, מפצה על השדה המגנטי החילופי החיצוני הגורם ל- EMF זה. תלות זו נקראת כלל לנץ (לא להתבלבל עם חוק ג'ול-לנץ).

סימן המינוס בפורמולה מדבר רק על התנגדות ל- EMF של השראה עצמית על ידי הגורמים לו. אם הסליל מחובר למקור זרם ישר, הזרם יגדל לאט לאט. זה מורגש מאוד כאשר הפיתול העיקרי של השנאי "מחויג" עם מצביע ohmmeter: מהירות החץ בכיוון חלוקת סולם אפס נמוכה יותר באופן משמעותי מאשר בבדיקת נגדים.

כאשר הסליל מנותק מהמקור הנוכחי, EMF ההשראה העצמית גורם לניצוץ של אנשי הקשר ממסר. במקרה בו הסליל נשלט על ידי טרנזיסטור, למשל סליל ממסר, דיודה ממוקמת במקביל אליו בכיוון ההפוך ביחס למקור הכוח. זה נעשה על מנת להגן על אלמנטים מוליכים למחצה מפני השפעת אינדוקציה עצמית של EMF, שיכולה להיות גבוהה פי עשרות ואף מאות פעמים מהמתח של מקור הכוח.

לניסויים בנה לנץ מכשיר מעניין. שתי טבעות אלומיניום קבועות בקצות זרוע הנדנדה האלומיניום. טבעת אחת מוצקה והשניה נחתכה. הנדנדה מסתובבת בחופשיות על המחט.

כאשר הוכנס מגנט קבוע לטבעת רציפה, הוא "נמלט" מהמגנט, וכאשר הוצא המגנט הוא חיפש אחריו. אותן פעולות עם הטבעת החתוכה לא גרמו לתנועות. זה נובע מהעובדה שבטבעת רציפה בהשפעת שדה מגנטי מתחלף, מתעורר זרם שיוצר שדה מגנטי. אך בזירה הפתוחה אין זרם, ולכן אין גם שדה מגנטי.

פרט חשוב בניסוי זה הוא שאם מוחדר מגנט לטבעת ונשאר נייח, אזי לא נצפתה תגובה של טבעת האלומיניום לנוכחות המגנט. זה מאשר שוב כי EMF הגיוס מתרחש רק במקרה של שינוי בשדה המגנטי, ועוצמת EMF תלויה בקצב השינוי. במקרה זה, פשוט ממהירות התנועה של המגנט.

ניתן לומר את אותו דבר לגבי אינדוקציה והשראה עצמית, רק שינוי בעוצמת השדה המגנטי, ליתר דיוק, קצב השינוי שלו תלוי בקצב השינוי של הזרם. כדי להמחיש תופעה זו אנו יכולים לתת דוגמא.

בואו לזרמים גדולים לעבור בשני סלילים זהים מספיק גדולים: דרך הסליל הראשון 10A, ודרך השני עד 1000, כאשר הזרמים הולכים וגדלים באופן לינארי בשני הסלילים. נניח שבשנייה אחת הזרם בסליל הראשון השתנה מ- 10 ל- 15A, ובשנייה מ- 1000 ל- 1001A, מה שגרם להופעת EMF אינדוקציה עצמית בשני הסלילים.

אך למרות ערך כה עצום של הזרם בסליל השני, EMF ההשראה העצמית יהיה גדול יותר בראשון, מכיוון ששיעור השינוי הנוכחי הוא 5A / s, ובשני הוא הוא 1A / s בלבד. אחרי הכל, EMF של אינדוקציה עצמית תלוי בקצב העלייה בזרם (קרא את השדה המגנטי) ולא בערכו המוחלט.

השראות

התכונות המגנטיות של הסליל עם הזרם תלויות במספר הסיבובים, בממדים הגיאומטריים. ניתן להשיג עלייה משמעותית בשדה המגנטי על ידי החדרת ליבת פרומגנטית לסליל. ניתן לשפוט את התכונות המגנטיות של הסליל ברמת דיוק על פי גודל ה- EM של אינדוקציה, אינדוקציה הדדית או אינדוקציה עצמית. כל התופעות הללו נחשבו לעיל.

המאפיין של הסליל, המדבר על זה, נקרא מקדם השראות (אינדוקציה עצמית) או פשוט השראות. בנוסחאות, השראות מסומנת על ידי האות L, ובתרשימים אותה אות מציינת את סלילי השראות.

יחידת השראות היא הנרי (GN). Inductance 1H יש סליל בו, כאשר הזרם משתנה ב- 1A לשנייה, נוצר EMF של 1V. ערך זה הוא די גדול: לסיבובי רשת של שנאים מספיק חזקים יש השראות של GN או יותר.

לכן, לעתים קרובות למדי הם משתמשים בערכים בסדר גודל קטן יותר, כלומר מילי ומיקרו-הנרי (mH ו- μH). סלילים כאלה משמשים במעגלים אלקטרוניים. אחד היישומים של סלילים הוא מעגלי תנודה במכשירי רדיו.

כמו כן סלילים משמשים משנקים, שמטרתם העיקרית היא לדלג על זרם ישר ללא אובדן תוך החלשת הזרם החילופי (מסננים באספקת חשמל) באופן כללי, ככל שתדירות ההפעלה גבוהה יותר, נדרשים פחות סלילי השראות.

השראות

אם אתה לוקח שנאי רשת חזק מספיק ו למדוד עם מודד ההתנגדות של הפיתול העיקרי, מסתבר שזה רק כמה אוהם, ואפילו קרוב לאפס. מסתבר שהזרם דרך סלילה כזו יהיה גדול מאוד, ואף נוטה לאינסוף. נראה כי קצר יכול להיות בלתי נמנע! אז למה הוא לא?

אחד המאפיינים העיקריים של משרנים הוא התנגדות אינדוקטיבית, התלויה בהשראות ובתדירות הזרם החילופי המחובר לסליל.

קל לראות שעם עליית התדר והשראות, ההתנגדות האינדוקטיבית עולה, ובזרם ישר היא בדרך כלל הופכת שווה לאפס. לכן, כאשר מודדים את ההתנגדות של סלילים עם מולטימטר, נמדדת רק ההתנגדות הפעילה של החוט.

העיצוב של המשרנים מגוון מאוד ותלוי בתדרים בהם פועל הסליל. לדוגמה, עבור עבודה בטווח הצמצום של גלי רדיו, סלילים המיוצרים על ידי חיווט מודפס משמשים לעתים קרובות למדי. בייצור המוני, שיטה זו נוחה מאוד.

השראות סליל תלויה בממדים הגיאומטריים שלה, בליבה, במספר השכבות ובצורתה. נכון לעכשיו, מיוצרים מספר מספיק של משרנים סטנדרטיים, בדומה לנגדים קונבנציונליים עם לידים. סימון סלילי כזה מתבצע עם טבעות צבעוניות. ישנם גם סלילי הרכבה על פני השטח המשמשים משנקים. השראות סלילים מסוג זה היא כמה מיליגנים.