المحاثات والمجالات المغناطيسية. الجزء 2. الحث الكهرومغناطيسي والحث

الجزء الأول من المقال: المحاثات والمجالات المغناطيسية

العلاقة بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية

تمت دراسة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية لفترة طويلة ، لكن لم يحدث قط أن يربط أحد هذه الدراسات بعضها ببعض. وفقط في عام 1820 تم اكتشاف أن موصلًا حاليًا يعمل على إبرة البوصلة. يعود هذا الاكتشاف إلى عالم الفيزياء الدنماركي هانز كريستيان أورستد. بعد ذلك ، تمت تسمية وحدة قياس شدة المجال المغنطيسي في نظام GHS باسمه: التسمية الروسية E (Oersted) ، التسمية الإنجليزية Oe. المجال المغناطيسي لديه مثل هذه الكثافة في فراغ أثناء تحريض 1 غاوس.

اقترح هذا الاكتشاف أنه يمكن الحصول على مجال مغناطيسي من تيار كهربائي. ولكن في الوقت نفسه ، نشأت أفكار حول التحول العكسي ، أي كيفية الحصول على تيار كهربائي من مجال مغناطيسي. في الواقع ، يمكن عكس اتجاه العديد من العمليات في الطبيعة: يتم الحصول على الجليد من الماء ، والذي يمكن ذوبانه مرة أخرى في الماء.

بعد اكتشاف أورستد ، استغرقت دراسة قانون الفيزياء الواضح الآن ما يصل إلى اثنتين وعشرين عامًا. انخرط العالم الإنجليزي مايكل فاراداي في الحصول على الكهرباء من مجال مغناطيسي. تم تصنيع الموصلات والمغناطيس من مختلف الأشكال والأحجام ، وتم البحث عن خيارات لترتيبها المتبادل. وفقط ، على ما يبدو ، بالصدفة ، اكتشف العالم أنه من أجل الحصول على EMF في نهايات الموصل ، هناك حاجة إلى مصطلح آخر - حركة المغناطيس ، أي يجب أن يكون المجال المغناطيسي متغير.

الآن هذا لا يفاجئ أي شخص. هذه هي الطريقة التي تعمل بها جميع المولدات الكهربائية - طالما يتم تدويرها بشيء ، يتم توليد الكهرباء ، يضيء المصباح الكهربائي. توقف ، توقف عن الدوران ، وخرج النور.

الحث الكهرومغناطيسي

وبالتالي ، فإن EMF في نهايات الموصل يحدث فقط إذا تم نقله بطريقة معينة في مجال مغناطيسي. أو بتعبير أدق ، يجب تغيير المجال المغناطيسي بالضرورة ، ليكون متغيرًا. وتسمى هذه الظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، في التوجيه الكهرومغناطيسي الروسي: في هذه الحالة يقولون إن EMF مستحث في الموصل. إذا كان الحمل متصلاً بمصدر EMF ، فسوف يتدفق التيار في الدائرة.

يعتمد حجم EMF المستحث على عدة عوامل: طول الموصل ، تحريض المجال المغناطيسي B ، وإلى حد كبير على سرعة حركة الموصل في المجال المغناطيسي. كلما كان تدوير مولد المولد أسرع ، كلما زاد الجهد عند إنتاجه.

ملاحظة: يجب عدم الخلط بين الحث الكهرومغناطيسي (حدوث EMF في نهايات الموصل في مجال مغناطيسي متناوب) مع الحث المغنطيسي - وهي كمية مادية متجهية تميز المجال المغناطيسي الفعلي.

ثلاث طرق للحصول على EMF

الاستقراء

وقد تم النظر في هذه الطريقة. في الجزء الأول من المقال. يكفي تحريك الموصل في المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم ، أو العكس لتحريك (المغناطيس دائمًا تقريبًا) بالقرب من الموصل. كلا الخيارين سيسمح لك بالتأكيد بالحصول على مجال مغناطيسي متناوب. في هذه الحالة ، تسمى طريقة الحصول على EMF الاستقراء. هو الحث الذي يستخدم للحصول على EMF في مولدات مختلفة. في تجارب فاراداي في عام 1831 ، تحرك المغناطيس تدريجياً داخل ملف الأسلاك.

الحث المتبادل

يوحي هذا الاسم بأن اثنين من الموصلات يشاركان في هذه الظاهرة. في واحد منهم ، يتدفق التيار المتغير ، مما يخلق مجال مغناطيسي بالتناوب من حوله. إذا كان هناك موصل آخر في مكان قريب ، فعند نهايته يوجد EMF متغير.

هذه الطريقة للحصول على EMF تسمى الحث المتبادل.بناءً على مبدأ الحث المتبادل ، تعمل جميع المحولات ، ويتم تصنيع موصلاتها فقط في شكل ملفات ، ويتم استخدام النوى المصنوعة من مواد مغناطيسية حديدية لتعزيز الحث المغناطيسي.

إذا توقف التيار في الموصل الأول (الدائرة المفتوحة) ، أو حتى أصبح قوياً للغاية ، ولكنه ثابت (لا توجد تغييرات) ، فعند نهايات الموصل الثاني ، لا يمكن الحصول على EMF. هذا هو السبب في أن المحولات تعمل فقط على التيار المتناوب: إذا كانت البطارية الجلفانية متصلة باللف الأولي ، فلن يكون هناك بالتأكيد أي جهد عند إخراج الملف الثانوي.

يتم إحداث EMF في اللف الثانوي فقط عندما يتغير المجال المغناطيسي. علاوة على ذلك ، كلما كان معدل التغيير أقوى ، أي السرعة وليس القيمة المطلقة ، كلما زاد EMF المستحث.

الحث الذاتي

إذا قمت بإزالة الموصل الثاني ، فإن الحقل المغناطيسي في الموصل الأول لن يتخلل المساحة المحيطة فحسب ، ولكن أيضًا الموصل نفسه. وبالتالي ، تحت تأثير مجالها في موصل EMF الناجم عن ، والذي يسمى EMF من الاستقراء الذاتي.

تم دراسة ظاهرة الاستقراء الذاتي في عام 1833 من قبل العالم الروسي لينز. بناءً على هذه التجارب ، تم العثور على نمط مثير للاهتمام: فإن EMF للحث الذاتي يتصدى دائمًا ، يعوض عن المجال المغناطيسي الخارجي المتناوب الذي يسبب هذا EMF. يسمى هذا الاعتماد قاعدة لينز (لا يجب الخلط بينه وبين قانون جول لينز).

علامة الطرح في الصيغة تتحدث فقط عن مواجهة EMF لتحريض الذات من خلال أسبابه. إذا كان الملف متصلاً بمصدر تيار مباشر ، فسيزيد التيار ببطء شديد. يكون هذا ملحوظًا جدًا عندما يتم "لف" المحول الأولي للمحول باستخدام مقياس أوم للقرص: تكون سرعة السهم في اتجاه تقسيم المقياس الصفري أقل بشكل ملحوظ من عند اختبار المقاومات.

عندما يتم فصل الملف عن المصدر الحالي ، يؤدي التعريفي الكهرومغناطيسي (EMF) الذاتي التعريفي إلى إثارة اتصالات التتابع. في حالة التحكم في الملف عن طريق الترانزستور ، على سبيل المثال ، ملف الترحيل ، يتم وضع الصمام الثنائي بالتوازي مع ذلك في الاتجاه المعاكس فيما يتعلق بمصدر الطاقة. يتم ذلك من أجل حماية عناصر أشباه الموصلات من تأثير الحث الذاتي للـ EMF ، والذي يمكن أن يزيد بعشرات أو حتى مئات المرات عن جهد مصدر الطاقة.

لإجراء التجارب ، صمم لينز جهازًا مثيرًا للاهتمام. يتم إصلاح حلقتين من الألومنيوم في نهايات ذراع الروك الألومنيوم. حلقة واحدة صلبة ، وقطعت الأخرى. الروك يدور بحرية على الإبرة.

عندما تم إدخال المغناطيس الدائم في حلقة صلبة ، "هرب" من المغناطيس ، وعندما تم إزالة المغناطيس ، سعى وراءه. نفس الإجراءات مع عصابة قطع لم يسبب أي حركات. هذا يرجع إلى حقيقة أنه في حلقة مستمرة تحت تأثير مجال مغناطيسي متناوب ، ينشأ تيار يخلق مجال مغناطيسي. ولكن في الحلقة المفتوحة لا يوجد تيار ، لذلك لا يوجد مجال مغناطيسي أيضًا.

من التفاصيل المهمة لهذه التجربة أنه إذا تم إدخال المغناطيس في الحلقة وظل ثابتًا ، فلن يتم ملاحظة أي رد فعل من الحلقة الألومنيوم على وجود المغناطيس. هذا يؤكد مرة أخرى أن EMF التعريفي يحدث فقط في حالة حدوث تغيير في المجال المغناطيسي ، وحجم EMF يعتمد على معدل التغيير. في هذه الحالة ، ببساطة من سرعة حركة المغناطيس.

يمكن قول الشيء نفسه عن الحث المتبادل والتحريض الذاتي ، فقط تغيير في شدة المجال المغناطيسي ، وبشكل أكثر دقة ، يعتمد معدل التغير على معدل التغير الحالي. لتوضيح هذه الظاهرة ، يمكننا إعطاء مثال.

اسمح للتيارات الكبيرة بالمرور عبر ملفين متطابقين كبيرًا بما فيه الكفاية: من خلال الملف الأول 10A ، ومن خلال الثاني الذي يصل إلى 1000 ، مع زيادة التيارات الخطية في كلا الملفين. افترض أنه في ثانية واحدة ، تم تغيير التيار في الملف الأول من 10 إلى 15A ، والثاني من 1000 إلى 1001A ، مما تسبب في ظهور EMF الذاتي الاستقراء في كلا الملفين.

ولكن ، على الرغم من هذه القيمة الضخمة للتيار في الملف الثاني ، فإن EMF الاستقراء الذاتي سيكون أكبر في الأول ، حيث أن معدل التغير الحالي هو 5A / s ، وفي الثانية هو 1A / s فقط. بعد كل شيء ، EMF من الاستقراء الذاتي يعتمد على معدل الزيادة في التيار (قراءة المجال المغناطيسي) ، وليس على قيمتها المطلقة.

الحث

تعتمد الخصائص المغناطيسية للملف مع التيار على عدد المنعطفات ، الأبعاد الهندسية. يمكن تحقيق زيادة كبيرة في المجال المغناطيسي من خلال إدخال النواة المغناطيسية في الملف. يمكن الحكم على الخواص المغناطيسية للملف بدقة كافية من خلال حجم emf للتحريض أو الحث المتبادل أو الحث الذاتي. كل هذه الظواهر تم اعتبارها أعلاه.

تسمى خاصية الملف ، التي تتحدث عن هذا ، معامل الحث (الحث الذاتي) أو الحث ببساطة. في الصيغ ، يشار إلى الحث بالحرف L ، وفي الرسوم البيانية تشير نفس الرسالة إلى ملفات الحث.

وحدة الحث هي هنري (GN). يحتوي محاثة 1H على ملف ، حيث عندما يتغير التيار بمقدار 1A في الثانية ، يتم إنشاء EMF من 1V. هذه القيمة كبيرة جدًا: لفائف الشبكة من المحولات القوية بما فيه الكفاية محاثة من GN واحد أو أكثر.

لذلك ، غالبًا ما يستخدمون قيم الترتيب الأصغر ، وهي ميلي وهينري الصغير (mH و μH). يتم استخدام هذه الملفات في الدوائر الإلكترونية. أحد تطبيقات الملفات هو الدوائر التذبذبية في الأجهزة الراديوية.

أيضا ، يتم استخدام الملفات كإختناقات ، والغرض الرئيسي منها هو تخطي التيار المباشر دون خسارة مع إضعاف التيار المتردد (المرشحات في امدادات الطاقة). عمومًا ، كلما زاد تردد التشغيل ، يلزم وجود ملفات أقل محاثة.

مفاعلة حثي

إذا كنت تأخذ محول شبكة قوية بما فيه الكفاية و قياس مع المتر مقاومة اللف الأساسي ، اتضح أنها ليست سوى عدد قليل من أوم ، وحتى قريبة من الصفر. اتضح أن التيار من خلال مثل هذا الملف سوف يكون كبيرًا جدًا ، وحتى يميل إلى ما لا نهاية. ماس كهربائى يبدو أنه لا مفر منه! فلماذا لا؟

واحدة من الخصائص الرئيسية للمحاثات هي المقاومة الاستقرائية ، والتي تعتمد على الحث وعلى وتيرة التيار المتردد المتصل بالملف.

من السهل أن نرى أنه مع زيادة التواتر والحث ، تزداد المقاومة الاستقرائية ، وفي الوقت الحالي تصبح عامة مساوية للصفر. لذلك ، عند قياس مقاومة الملفات بمقياس متعدد ، يتم قياس المقاومة النشطة للسلك فقط.

تصميم المحاثات متنوع للغاية ويعتمد على الترددات التي يعمل بها الملف. على سبيل المثال ، للعمل في نطاق ديسيمتر من موجات الراديو ، وغالبا ما تستخدم لفائف مصنوعة من الأسلاك المطبوعة. في الإنتاج الضخم ، هذه الطريقة مريحة للغاية.

يعتمد محاثة الملف على أبعاده الهندسية ، جوهره ، عدد الطبقات والشكل. حاليا ، يتم إنتاج عدد كاف من المحاثات القياسية ، على غرار المقاومات الطرفية التقليدية. وتتميز هذه الملفات مع حلقات ملونة. هناك أيضا لفائف جبل السطح تستخدم الاختناقات. الحث من هذه الملفات هو عدة ملين.