Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

Overview

מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN

ניסוי זה ישתמש סלילים אינדוקטיביים כדי להדגים את הרעיון של משרן אינדוקציה. אינדוקציה מגנטית תדגים באמצעות מגנט מוט המוחדר או מופק מחיבת סליל כדי לגרום למתח אלקטרומוטי חולף (EMF) ב סליל, הנמדד על ידי voltmeter. ניסוי זה גם מדגים את ההשראות ההדדית בין שני סלילים, כאשר הפעלה או כיבוי של זרם הזורם בסליל יכול לגרום למתח EMF בסליל שני בקרבת מקום. לבסוף, הניסוי ידגים את ההשראות העצמית של סליל, בעת כיבוי זרם מעורר EMF להדליק נורה המחוברת במקביל ל סליל.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

על פי חוק פאראדיי, שדה מגנטי משתנה (תלוי זמן) B יגרום לשדה חשמלי, המכונה שדה הכוח האלקטרו-מותי (EMF). אם השדה המגנטי הוא רוחבי ל סליל של לולאה אחת, שדה ה- EMF ייצור מתח EMF V על פני שני קצות סליל:

Equation 1(משוואה 1)

השטף המגנטי דרך הלולאה הוא,

Equation 2

כאשר A הוא אזור הלולאה, ואם השדה המגנטי B נמצא בכיוון כללי, יש להחליף את B ברכיבו בניצב לאזור הלולאה, ו- ΔΦ/ΔT הוא קצב השינוי שלו. סימן המינוס במשוואה 1 מסמל את הכיוון של ה- EMF המושרה (או המתח): הוא תמיד מנסה להתנגד לשינוי של שדה B החיצוני על ידי יצירת זרם בסליל המייצר שדה מגנטי משלו בכיוון ההפוך של השינוי של שדה B. כיוון השדה המגנטי המושרה קשור לכיוון הזרם בסליל על ידי כלל היד האדומה (לעטוף את האצבעות של יד ימין סביב הכיוון הנוכחי, נקודות האגודל בכיוון השדה המגנטי המיוצר על ידי הזרם). לדוגמה, אם שדה B החיצוני נמצא לאורך כיוון +x (אזור הלולאה הוא במישור yz) וגדל עם הזמן, השדה המגנטי שנוצר על-ידי ה- EMF והזרם המושרה יהיה בכיוון -x; אם שדה B החיצוני יורד, ה- EMF והזרם המושרים ייצרו שדה מגנטי בכיוון +x. זוהי תופעת האינדוקציה המגנטית. עבור סליל "סולנואיד" של פניות N, מתח EMF שנוצר על ידי כל סיבוב יתסכם במתח EMF כולל. במהלך האינדוקציה המגנטית, סליל יכול להיחשב כאנלוגי של סוללה כי היה פלט מתח (אם עומס מסוים מחובר) זרם. בניסוי זה, תופעה זו תודגם באמצעות שדה מגנטי הולך וגדל או הולך ופוחת המיוצר על ידי: (1) מגנט קבוע נע לכיוון סליל או הרחק ממנו (איור 1); (2) סליל נוסף עם זרם אני זורם דרך סליל, שבו אני יכול להיות מופעל או כבוי (איור 2); ו-(3) סליל עצמו עם זרם שאני זורם דרכו, שבו אני יכול להיות מופעל או כבוי(איור 3). במקרה של (3), האינדוקציה מכונה אינדוקציה עצמית (והסולנואיד הוא דוגמה ל"משרן "). בשני המקרים (2) ו-(3), מאחר שהשטף המגנטי או השדה המגנטי (שהשינוי שלו גורם לאינדוקציה) הוא פרופורציונלי לזרם I, מתח ה-EMF המושרה פרופורציונלי לקצב השינוי של הזרם (ΔI/Δt), עם הגורם היחסי L המכונה אינדוקציה הדדית כמו במקרה (2) או אינדוקציה עצמית כמו במקרה (3), בהתאמה:

Equation 3(משוואה 2)

כיוון המתח V נקבע באופן דומה כמתואר לעיל: ה- EMF V ינסה לייצר זרם I, ושדה מגנטי משלו המתנגד לשינוי בשדה המגנטי המקורי B.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. אינדוקציה מגנטית

  1. להשיג סליל סולנואיד (עם ליבה חלולה) ומגנט מוט (עם הקטבים הצפוניים והדרומיים שלו מסומנים).
  2. להשיג ammeter דו קוטבי אנלוגי עם מחט מחוון. המחט נמצאת באופן נומינלי במיקום האמצעי בקריאה אפסית, ותסיט לימין או שמאלה בהתאם לכיוון הזרימה הנוכחית (קריאה חיובית פירושה שהזרם זורם מהמסוף החיובי למסוף שלילי בתוך האמטר).
  3. חברו את שני הקצוות של סולנואיד למסופי "+" ו-"−" של האמטר, כמו באיור 1. החיבור יכול להיעשות עם כבלים עם מלחציים או תקעים בננה לתוך מקבל יציאות על המכשירים.
  4. קירבו את מגנט המוט ל סליל והכניסו את הקצה הצפוני שלו לליבה שלו, כפי שמוצג באיור 1. התבונן באמטר והקלט את סימן קריאתו. כדי שכל התצפיות יבוצעו בהמשך, תמיד להקליט הן את השלט והן את הגודל המשוער של הקריאה.
  5. לחלץ את המגנט בחזרה מתוך סליל, ולצפות בקריאה על ammeter.
  6. עם מגנט המוט הרחק מה סליל, להפוך אותו ועכשיו להזיז את הקצה הדרומי קרוב יותר סליל. הכנס את הקצה הדרומי לליבה של סליל, ושים לב לקריאה על האמטר.
  7. לחלץ את המגנט בחזרה מתוך סליל שוב, ולצפות בקריאה על ammeter.
  8. חזור על שלבים 1.6 ו- 1.7 לעיל שוב (הכנס וחלץ את הקוטב הדרומי של המגנט) אך במהירות איטית יותר ולאחר מכן במהירות גבוהה יותר, והתבונן והשווה את הקריאה באמטר.

Figure 1
איור 1: דיאגרמה המציגה מגנט נע לכיוון סליל/הרחק ממנו כדי לגרום לזרם ב סליל (אינדוקציה מגנטית).

2. אינדוקציה הדדית

  1. השג סליל סולנואיד שני (המכונה סליל #2), וקרב אותו לסליל הראשון (המכונה סליל #1) כפי שמוצג באיור 2. שני סלילים מיושרים בערך לאורך ציר משותף.
  2. חברו את שני קצות סליל #2 למקור מתח DC באמצעות מתג, כפי שמוצג באיור 2. סליל #1 עדיין מחובר לאמטר האנלוגי.
  3. כאשר המתג פתוח, הגדר את מקור המתח ל- +2 V ולאחר מכן סגור את המתג כדי לאפשר לזרם לזרום ב סליל #2, ושים לב לקריאה באמד המחובר ל סליל #1 כאשר המתג מופעל.
  4. עכשיו פתח את המתג, ושים לב לקריאה על מד הים.
  5. הגדר את מקור המתח ל- −2 V (או לחילופין, החלף את שני החוטים המחוברים למסופי הפלוס והמינוס של מקור המתח כדי להפוך את סימן המתח והזרם שיוחלו על סליל #1), חזור על שלבים 2.3 (הפעלה) ו- 2.4 (כיבוי) והתבונן באמדיר המחובר ל סליל #1.
  6. כעת הכנס סליל #2 לליבה של סליל #1 באופן מלא ככל האפשר, חזור על השלב לעיל 2.5, ושמור על הקריאה על האמטר המחובר ל סליל #1.

Figure 2
איור 2: דיאגרמה המראה שהפעלה או כיבוי נוכחי ב סליל תגרום לזרם ב סליל סמוך אחר (אינדוקציה הדדית).

3. אינדוקציה עצמית

  1. השגו נורה וחברו אותה בסדרה עם האמד, ולאחר מכן חברו את השילוב לסיליל #2 במקביל לאספקת וולט, כפי שמוצג באיור 3. המתח באספקת וולט מוגדר להיות V אחד.
  2. סגור את המתג כדי לאפשר לזרם לזרום דרך סליל. הנורה צריכה להיות עמומה מכיוון של סליל יש התנגדות קטנה בהרבה מהנורה, ורוב הזרם יזרום דרך סליל.
  3. פתח את המתג כך שאספקת הוולט תנותק משאר המעגל, והתבונן בנורה ובקריאת האמטר כאשר המתג נפתח זה עתה.

Figure 3
איור 3: דיאגרמה המציגה מעגל להדגמת אינדוקציה עצמית, כאשר כוונון הזרם ב סליל גורם למתח ארעי וזרם בנורה המחוברת אליו.

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!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

תוצאות מייצגות למה שניתן לראות בקריאה של מד הים עבור סעיפים 1 ו- 2 (הגדרות באיורים 1 ו-2) מסוכמות בטבלאות 1 ו-2 להלן.

שלב הליך התמצאות של מגנט רוד תנועת מגנט קריאה על מד הים
1.4 דרום-צפון (הצפון נמצא בקצה הימני של המוט, כמו באיור 1) נע לכיוון סליל (קצה שמאלי) חיובי
1.5 דרום-צפון מתרחק מה סליל שלילי
1.6 צפון-דרום נע לכיוון סליל שלילי
1.7 צפון-דרום מתרחק מה סליל חיובי

טבלה 1: תוצאות מייצגות עבור סעיף 1. לשלב 1.8, שים לב שמהירות תנועה מהירה יותר מעניקה קריאה גדולה יותר (הסטת מחט גדולה יותר) על האמטר.

שלב הליך הגדרת אספקת וולט פעולת מתג קריאה על מד הים
2.3 +2 V תדליק חיובי
2.4 +2 V ביטול שלילי
2.5 −2 V תדליק שלילי
2.5 −2 V ביטול חיובי

טבלה 2: תוצאות מייצגות עבור סעיף 2. בשלב 2.6, שים לב כי הצבת סליל #2 בתוך סליל #1 נותן קריאה גדולה יותר (בעוד הסימנים של הקריאה נשארים זהים) על ammeter לעומת שלב 2.5 עבור כל פעולת מתג תואמת.

עבור סעיף 3, אם בתחילה הזרם עקב אספקת וולט (+1 V) זורם מימין לשמאל בסליל, כיבויו (פתיחת המתג) יגרום לזרם ארעי באותו כיוון. הנורה תידלק בקצרה, והאמטר ירשום קריאה חיובית לחיבור שניתן באיור 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

בניסוי זה הדגמנו כיצד שינוי שדה מגנטי (על ידי הזזת מגנט) גורם לזרם בסליל, וגם כיצד שינוי הזרם בסליל גורם לזרם בסליל אחר (אינדוקציה הדדית). הדגמנו גם כי שינוי הזרם ב סליל מעורר מתח וזרם באותו סליל (אינדוקציה עצמית).

משרים (בדרך כלל בצורה של סלילים) משמשים בדרך כלל ביישומי מעגלים רבים, כגון לאחסון אנרגיה מגנטית כאשר זרם מצב יציב זורם. הם שימושיים לעיבוד אותות חשמליים; לדוגמה, לקיחת הנגזרת או האינטגרל של אות חשמלי, לסינון ולמעגלי תהודה. הם משמשים גם שנאים כדי לשנות את המתח של אותות AC.

מחבר הניסוי מכיר בסיועו של גארי הדסון להכנת חומר וצ'ואנחסון לי על כך שהדגים את הצעדים בסרטון.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter