אינדוקציה

משרנים - בדרך כלל בצורת סלילים - נמצאים בשימוש נפוץ ביישומי מעגלים רבים. מטרתם היא לאגור אנרגיה מגנטית כאשר זורם זרם במצב יציב.

בלולאה היוצרת מעגל סגור, השדה המגנטי המשתנה גורם לכוח אלקטרו-מניע המניע את הזרם. תופעה זו נקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית. משרן הוא פשוט סליל של חוט ויש לו את התכונה של השראות עצמית, המקשרת את המתח על פני ההדקים שלו עם השינוי בשדה המגנטי שלו.

סרטון זה ימחיש את המושגים מאחורי השראות ולאחר מכן ידגים ניסוי אינדוקציה באמצעות מגנט מוט וסליל. לבסוף, נסקור כמה מהיישומים הנוכחיים עבור משרנים.

ניתן לחשוב על שטף מגנטי ככמות השדה המגנטי העובר באזור. עבור שדה מגנטי אחיד B בניצב לאזור A, שטף מגנטי phi הוא פשוט תוצר של השניים. על פי חוק האינדוקציה של פאראדיי, שטף מגנטי משתנה בלולאת חוט מייצר כוח אלקטרו-מוטורי, או EMF, לאורך הלולאה. כוח אלקטרו-מניע זה שווה לשלילי של קצב השינוי של השטף המגנטי לאורך זמן.

קצב השינוי של השטף המגנטי קובע את הקוטביות של הכוח האלקטרו-מניע המושרה. הסימן השלילי בביטוי לחוק פאראדיי פירושו שאם השדה המגנטי פוחת עם הזמן, השדה האלקטרומגנטי חיובי. אם הוא גדל עם הזמן, השדה האלקטרומגנטי שלילי. כאשר הלולאה היא מעגל סגור, הכוח האלקטרו-מניע המושרה זרם שבתורו יוצר שדה מגנטי משלו. לשדה מגנטי זה יש כיוון הניתן על ידי כלל יד ימין. אם אצבעות יד ימין מתכרבלות סביב כיוון הזרם בלולאה, אז האגודל של יד ימין יצביע לכיוון השדה המגנטי שנוצר. הזרם המושרה חייב לזרום בכיוון שיוצר שדה מגנטי המתנגד לקצב השינוי של השדה המגנטי החיצוני.

לדוגמה, השדה המגנטי ממגנט זה מצביע כלפי מעלה דרך לולאה אחת של חוט. הרחקת המגנט מהלולאה מפחיתה את עוצמת השדה המגנטי דרך הלולאה. השינוי בשטף המגנטי - המיוצג על ידי וקטור המצביע כלפי מטה - גורם לכוח אלקטרו-מניע חיובי המניע זרם נגד כיוון השעון כפי שמוצג. לפי כלל יד ימין, הזרם יוצר שדה מגנטי המצביע כלפי מעלה בתוך הלולאה כדי להתנגד לירידה בשדה המגנטי או בשטף. לעומת זאת, הזזת המגנט לכיוון הלולאה מגדילה את השדה המגנטי שם. השינוי בשטף המגנטי מיוצג על ידי וקטור המצביע כלפי מעלה. במקרה זה זה גורם לכוח אלקטרו-מניע שלילי שמניע זרם בכיוון השעון. לפי כלל יד ימין, זרם בכיוון זה יוצר שדה מגנטי המצביע כלפי מטה בתוך הלולאה כדי להתנגד לשדה המגנטי או השטף הגובר.

עכשיו בואו נעבור מלולאה לסולנואיד, שהוא פשוט לולאות מרובות של חוט מלופף סביב ליבת אוויר או חומר מגנטי. זהו משרן נפוץ במעגלים חשמליים. אם זרם זורם דרך סולנואיד, הוא יוצר שדה מגנטי בתוך המשרן. כיוון השדה המגנטי הזה ניתן על ידי כלל יד ימין. שדה זה בתורו מייצר שטף מגנטי בכיוון זהה לזה של השדה, וכמות השטף הזה פרופורציונלית לזרם. לכן, אם הזרם משתנה עם הזמן, כך גם השטף המגנטי. בעקבות חוק פאראדיי, השטף המשתנה גורם למתח המניע זרם דרך הסליל כך שהשדה המגנטי של הזרם המושרה מתנגד לשינוי בשטף המקורי. תופעה זו של אינדוקציה של מתח על פני המסופים שלה בתגובה לזרם משתנה נקראת אינדוקציה עצמית, והמתח הכולל המושרה על פני הסולנואיד הוא מספר הסיבובים N, כפול ה-EMF של לולאה בודדת.

כעת, לאחר שהסברנו את היסודות, בואו נראה כיצד לחקור אינדוקציה אלקטרומגנטית במעבדה לפיזיקה.

כל הניסויים הבאים משתמשים במד זרם דו-קוטבי אנלוגי, שיש לו מחט שסוטה ימינה או שמאלה מנקודת האפס, בהתאם לכיוון זרימת הזרם.

ראשית, השג סולנואיד עם ליבה חלולה, מגנט מוט עם קטבים צפוניים ודרומיים מסומנים בבירור, ומד זרם דו-קוטבי אנלוגי. ואז חבר את הסולנואיד למד זרם. לניסוי הראשון, הכנס את הקוטב הצפוני של המגנט לקצה הסולנואיד המחובר למסוף השלילי של מד הזרם. התבונן במד זרם ורשום את הקוטביות והגודל המשוער של סטיית המחט. משוך את המגנט מהסולנואיד ורשום את הקוטביות והגודל המשוער של סטיית מחט מד הזרם.

כעת סובב את המגנט והכנס והסר את הקוטב הדרומי מקצה הסולנואיד המחובר למסוף השלילי של מד הזרם. חזור על ניסוי זה על ידי הכנסת הקוטב הדרומי של המגנט לתוך הסליל ולאחר מכן הסרתו - תחילה לאט יותר ולאחר מכן מהר יותר מאשר בניסוי הראשון. כאשר הקוטב הצפוני מתקרב ונכנס לסולנואיד, הוא גורם לזרם הגורם לסטייה חיובית רגעית של מד הזרם. כאשר מסירים את הקוטב הצפוני מהסולנואיד, הסטייה שלילית. היפוך כיוון המגנט הופך גם את תגובת מד הזרם.

לבסוף, מהירות התנועה משפיעה על שינוי השדה המגנטי עם הזמן, הקובע את המתח והזרם המושרה. תנועה איטית יותר גורמת לפחות זרם וקריאה קטנה יותר, ותנועה מהירה יותר גורמת ליותר זרם וקריאה גדולה יותר.

לניסוי השראות עצמית, חבר נורה, סליל משרן, אספקת מתח מוגדרת בוולט אחד חיובי, מתג ומד זרם אנלוגי כפי שמוצג. הרכיבו את המעגל כשהמתג פתוח כך שלא יזרום זרם.

סגור את המתג כדי לחבר את כרךtagמקור הנורה וגם לסליל המשרן. שימו לב לנורה, שנראית מוארת במעומעם. פתח את המתג כדי לנתק את אספקת המתח מהמעגל. התבונן בנורה ובמד זרם ברגע פתיחת המתג ולאחר מכן רשום את התוצאה. הנורה נדלקת לזמן קצר ומד הזרם מראה קריאה חיובית בו זמנית. זה קורה עקב אינדוקציה עצמית ומספר אירועים מתרחשים במהלך פרק זמן קצר זה.

בתחילה, כאשר המתג סגור, זרם זורם גם דרך הסליל וגם דרך הנורה, אך הרבה יותר זרם זורם דרך הסליל בהשוואה לנורה, מכיוון שלסליל יש התנגדות נמוכה יותר בהשוואה לנורה. פתיחת המתג מנתקת את כרךtagמקור המתח. זה גורם לזרם דרך המשרן לרדת.

זרם משתנה זה דרך המשרן גורם לשינוי בשטף המגנטי שלו, אשר בתורו גורם לזרם חולף המתנגד לירידה על ידי זרימה באותו כיוון כמו הזרם המקורי. השילוב של השניים - זרם מקורי וזרם חולף - מניב את זרם המשרן הכולל, שזורם כעת דרך הנורה ומדליק אותה לזמן קצר, ובמקביל גורם לסטייה במד זרם כדי להצביע על זרם חיובי.

לאינדוקציה אלקטרומגנטית יש יישומים רבים במכשירים מודרניים, והיא שיטה בסיסית להעברת אנרגיה ומידע ללא מגע פיזי.

אינדוקציה היא העיקרון המרכזי מאחורי תפקודם של מכשירים הנקראים שנאים. לשנאי יש זוג הדקי כניסה המחוברים לליפוף ראשוני - או סליל - וזוג הדקי יציאה המחוברים לליפוף משני. ליבה המורכבת מפלדה, פריט או אפילו פשוט אוויר, מחברת מגנטית את שני הפיתולים. מתח על פני פיתול אחד גורם לזרם לזרום דרכו, ויוצר שדה מגנטי. שטף מגנטי, או צפיפות השדה המגנטי, מחובר לאחר מכן לפיתול המשני דרך הליבה, שם הוא גורם למתח. עיקרון זה נקרא אינדוקציה הדדית.

יישום נוסף של משרנים הוא מנועי אינדוקציה AC, שהם סוסי העבודה של התעשייה המודרנית בשל פשטותם, קשיחותם ואמינותם. למנוע אינדוקציה יש רק שני חלקים עיקריים. הראשון הוא החלק הנייח, הנקרא סטטור, המורכב מסלילים נייחים סביב חלל. בחלל תלוי הרוטור, שהוא זוג טבעות קצה המכסות סידור גלילי של סורגים. מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי משתמש בכוח תלת פאזי, כאשר כל שלב מחובר לסט נפרד משלו של סלילי סטטור. הסלילים מסודרים בתבנית המייצרת שדה מגנטי אחד לכל שלב של הכוח המסופק. השדה המגנטי נטו שנוצר, הנקרא "השדה המגנטי של הסטטור" מסתובב במהירות קבועה.

השטף המגנטי המסתובב משרה זרם ברוטור, בדומה לאופן שבו שנאי מעביר כוח מהסליל הראשוני למשני. הזרם דרך מוטות הרוטור בתורו יוצר שדה מגנטי משלו, הנקרא "השדה המגנטי של הרוטור המושרה". האינטראקציה בין שני השדות הללו מייצרת כוח על הרוטור, שגורם לו לעקוב אחר השדה המגנטי של הסטטור, כמו מוט ברזל העוקב אחר המגנטים סביבו.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE להשראות אלקטרומגנטית. כעת עליכם להבין כיצד שדה מגנטי משתנה בזמן גורם לכוח אלקטרו-מניע במוליך, וכיצד הזרם המתקבל מייצר שדה מגנטי משלו. תודה שצפית!