אינדוקציה

משרים - בדרך כלל בצורה של סלילים - נמצאים בשימוש נפוץ ביישומי מעגלים רבים. מטרתם היא לאחסן אנרגיה מגנטית כאשר זרם מצב יציב זורם.

בלולאה היוצרת מעגל סגור, השדה המגנטי המשתנה גורם לכוח אלקטרו-מוטיבי שמניע את הזרם. תופעה זו נקראת אינדוקציה אלקטרומגנטית. משרן הוא פשוט סליל של חוט ויש לו את המאפיין של אינדוקציה עצמית, המקשר את המתח על פני מסופיו עם השינוי בשדה המגנטי שלו.

וידאו זה ימחיש את המושגים מאחורי שראות ולאחר מכן להדגים ניסוי אינדוקציה באמצעות מגנט בר סליל. לבסוף, נסקור חלק מהיישומים הנוכחיים עבור משרים.

ניתן לחשוב על שטף מגנטי ככמות השדה המגנטי העוברת באזור. עבור שדה מגנטי אחיד B בניצב לאזור A, שפי השטף המגנטי הוא פשוט התוצר של השניים. על פי חוק האינדוקציה של פאראדיי, שטף מגנטי משתנה בלולאה של חוט מייצר כוח אלקטרומוטי, או EMF, לאורך הלולאה. EMF זה שווה לשלילי של קצב השינוי של שטף מגנטי לאורך זמן.

קצב השינוי של השטף המגנטי קובע את הקוטביות של הכוח האלקטרו-מוטיבי המושרה. הסימן השלילי בביטוי לחוק של פאראדיי אומר שאם השדה המגנטי פוחת עם הזמן, ה- EMF הוא חיובי. אם זה גדל עם הזמן, EMF הוא שלילי. כאשר הלולאה היא מעגל סגור, כונני EMF המושרה כי בתורו מייצר שדה מגנטי משלו. לשדה מגנטי זה יש אוריינטציה שניתנת על ידי כלל יד ימין. אם האצבעות של יד ימין מתכרבלות סביב כיוון הזרם בלולאה, האגודל של יד ימין יצביע לכיוון השדה המגנטי שנוצר. הזרם המושרה חייב לזרום בכיוון שיוצר שדה מגנטי המנוגד לקצב השינוי של השדה המגנטי החיצוני.

לדוגמה, השדה המגנטי ממגנט זה מצביע כלפי מעלה דרך לולאה אחת של חוט. הזזת המגנט מהלולאה מקטינה את עוצמת השדה המגנטי דרך הלולאה. השינוי בשטף המגנטי המיוצג על ידי וקטור המצביע כלפי מטה גורם ל- EMF חיובי המניע את הזרם נגד כיוון השעון כפי שמוצג. על ידי כלל יד ימין, הזרם יוצר שדה מגנטי המצביע בתוך הלולאה כדי להתנגד לשדה המגנטי או השטף ההולכת ופוחתים. לעומת זאת, הזזת המגנט לכיוון הלולאה מגדילה את השדה המגנטי שם. השינוי בשטף המגנטי מיוצג על ידי וקטור המצביע כלפי מעלה. במקרה זה הוא גורם EMF שלילי שמניע את הנוכחי בכיוון השעון. על פי כלל יד ימין, הזרם בכיוון זה יוצר שדה מגנטי המצביע למטה בתוך הלולאה כדי להתנגד לשדה המגנטי הגובר או לשטף.

עכשיו בואו נעבור מלולאה לסולנואיד, שהוא פשוט לולאות מרובות של פצע תיל סביב ליבת אוויר או חומר מגנטי. זהו משרן נפוץ במעגלים חשמליים. אם הזרם זורם דרך סולנואיד, הוא יוצר שדה מגנטי בתוך המשרן. הכיוון של שדה מגנטי זה ניתן על ידי כלל יד ימין. שדה זה בתורו מייצר שטף מגנטי בכיוון זהה לזה של השדה, וכמות השטף הזה היא פרופורציונלית לזרם. לכן, אם הזרם משתנה עם הזמן, כך גם השטף המגנטי. בעקבות חוק פאראדיי, השטף המשתנה גורם למתח המניע את הזרם דרך סליל כך שהשדה המגנטי של הזרם המושרה מתנגד לשינוי בשטף המקורי. תופעה זו של אינדוקציה מתח על פני מסופים משלה בתגובה לזרם משתנה נקרא אינדוקציה עצמית, ואת המתח המושרה הכולל על פני סולנואיד הוא מספר הפניות N, כפול EMF של לולאה אחת.

עכשיו שהסברנו את היסודות, בואו נראה איך לחקור אינדוקציה אלקטרומגנטית במעבדת פיזיקה.

כל הניסויים הבאים משתמשים באמטר דו קוטבי אנלוגי, שיש לו מחט שמסיטה ימינה או שמאלה של נקודת האפס, בהתאם לכיוון הזרימה הנוכחית.

ראשית, להשיג סולנואיד עם ליבה חלולה, מגנט מוט עם מוטות צפון ודרום מסומנים בבירור, ואת ammeter דו קוטבי אנלוגי. ואז לחבר את סולנואיד לאמטר. לניסוי הראשון, הכנס את הקוטב הצפוני של המגנט לסוף סולנואיד המחובר למסוף השלילי של האמטר. התבונן באמטר ותיעד את הקוטביות ואת הגודל המשוער של הסטת המחט. תוציא את המגנט מהסולנואיד ותקליט את הקוטביות והגודל המשוער של הסטת מחט האמטר.

עכשיו לסובב את המגנט ולהכניס ולהסיר את הקוטב הדרומי מסוף סולנואיד מחובר למסוף השלילי של ammeter. חזור על ניסוי זה על ידי החדרת הקוטב הדרומי של המגנט לתוך סליל ולאחר מכן הסרתו - תחילה לאט יותר ולאחר מכן מהר יותר מאשר בניסוי הראשון. כאשר הקוטב הצפוני נע קרוב ונכנס לסולנואיד, הוא גורם לזרם שגורם להסטה חיובית רגעית של האמטר. כאשר הקוטב הצפוני מוסר מהסולנואיד, הסטה שלילית. היפוך כיוון המגנט גם הופך את תגובת האמטר.

לבסוף, מהירות התנועה משפיעה על שינוי השדה המגנטי עם הזמן, אשר קובע את המתח המושרה ואת הזרם. הילוך איטי יותר תפחית את הזרם וקריאה קטנה יותר, והתנועה המהירה יותר תגרם קריאה עדכנית יותר וקריאה גדולה יותר.

לניסוי ההשרצה העצמית, חברו נורה, סליל משרן, אספקת מתח המוגדרת ב-1 וולט אחד חיובי, מתג ואמטרי אנלוגי כפי שמוצג. הרכב את המעגל כאשר המתג פתוח כך שלא זרם זורם.

סגור את המתג כדי לחבר את מקור המתח הן לנורה והן ל סליל המשרן. שימו לב לנורה, שנראית מוארת באפלולית. פתח את המתג כדי לנתק את אספקת המתח מהמעגל. שים לב הנורה ואת ammeter ברגע המתג נפתח ואז להקליט את התוצאה. הנורה מתבהרת לזמן קצר והאמטר מראה קריאה חיובית בו זמנית. זה קורה עקב אינדוקציה עצמית ומספר אירועים מתרחשים בתקופה קצרה זו של זמן.

בתחילה, כאשר המתג סגור, זרימה נוכחית דרך סליל ונורה, אבל הרבה יותר זרם זורם דרך סליל לעומת הנורה, שכן סליל יש התנגדות נמוכה יותר לעומת הנורה. פתיחת המתג מנתקת את מקור המתח. פעולה זו גורמת 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 - הזרם המקורי והארעף - מניב את זרם המשרן הכולל, שזורם כעת דרך הנורה ומאיר אותה בקצרה, ובמקביל גורם להסטה באמטר כדי להצביע על זרם חיובי.

אינדוקציה אלקטרומגנטית יש יישומים רבים במכשירים מודרניים, והיא שיטה בסיסית של העברת אנרגיה ומידע ללא מגע פיזי.

אינדוקציה היא עיקרון הליבה מאחורי תפקודם של מכשירים הנקראים שנאים. לשנאי יש זוג מסופי קלט המחוברים למתפתל ראשי או ל סליל וזוג מסופי פלט המחוברים לפיתול משני. ליבה המורכבת מפלדה, פריט או אפילו אוויר פשוט, משלבת מגנטית את שני המפתולים. מתח על פני פיתול אחד גורם לזרם לזרום דרכו, ויוצר שדה מגנטי. השטף המגנטי, או צפיפות השדה המגנטי, מצמידים לאחר מכן למתפתל המשני דרך הליבה, שם הוא גורמת למתח. עיקרון זה נקרא אינדוקציה הדדית.

יישום נוסף של משרים הוא מנועי אינדוקציה AC, שהם סוסי העבודה של התעשייה המודרנית בשל הפשטות שלהם, מחוספס, ואמינות. למנוע אינדוקציה יש רק שני חלקים עיקריים. הראשון הוא החלק הנייח, הנקרא סטטור, המורכב סלילים נייחים סביב חלל. תלוי בחלל הוא הרוטור, שהוא זוג טבעות קצה מכסה סידור גלילי של ברים. מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי משתמש בעוצמה תלת פאזית, כאשר כל שלב מחובר לסט סלילי סטטור נפרד משלו. סלילים מסודרים בתבנית המייצרת שדה מגנטי אחד עבור כל שלב של הכוח שסופק. השדה המגנטי נטו המתקבל, המכונה "השדה המגנטי סטטור" מסתובב במהירות קבועה.

השטף המגנטי המסתובב גורמת לזרם ברוטור, בדומה לאופן שבו שנאי מעביר כוח מהסליל הראשי למשני. הזרם דרך הסורגים של הרוטור בתורו יוצר שדה מגנטי משלו, המכונה "השדה המגנטי המושרה רוטור". האינטראקציה בין שני שדות אלה מייצרת כוח על הרוטור, מה שגורם לו לעקוב אחר השדה המגנטי סטטור, כמו מוט ברזל בעקבות המגנטים סביבו.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לאינדוקציה אלקטרומגנטית. כעת עליכם להבין כיצד שדה מגנטי משתנה גורמת לכוח אלקטרו-מוטיבי במוליך, וכיצד הזרם המתקבל מייצר שדה מגנטי משלו. תודה שצפיתם!