İndüktörler ve manyetik alanlar. Bölüm 2. Elektromanyetik indüksiyon ve endüktans

Makalenin ilk bölümü: İndüktörler ve manyetik alanlar

Elektrik ve manyetik alanların ilişkisi

Elektriksel ve manyetik fenomenler uzun zamandır incelenmiştir, ancak bu çalışmaları bir şekilde birbirleriyle ilişkilendirmek hiç kimseye olmadı. Ve sadece 1820'de bir akım iletkeninin pusula iğnesine etki ettiği keşfedildi. Bu keşif Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted'e aitti. Daha sonra, GHS sistemindeki manyetik alan gücünün ölçüm birimine onun adı verilmiştir: Rus ismi E (Oersted), İngiliz ismi Oe. Manyetik alan, 1 Gauss indüksiyonu sırasında bir vakumda böyle bir yoğunluğa sahiptir.

Bu keşif, bir elektrik akımından manyetik bir alanın elde edilebileceğini düşündürmektedir. Ancak aynı zamanda, ters dönüşüm, yani manyetik bir alandan bir elektrik akımının nasıl alınacağı hakkında düşünceler ortaya çıktı. Gerçekten de, doğada birçok işlem geri dönüşümlüdür: sudan buz elde edilir, bu da tekrar suya eritilebilir.

Oersted'in keşfinden sonra, şimdi açık olan bu fizik yasasının incelenmesi yirmi iki yıl kadar sürdü. İngiliz bilim adamı Michael Faraday manyetik bir alandan elektrik elde etmekle meşguldü. Çeşitli şekil ve boyutlarda iletkenler ve mıknatıslar yapılmış ve karşılıklı düzenlemeleri için seçenekler araştırılmıştır. Ve sadece, görünüşe göre, şans eseri, bilim adamı şefin uçlarında EMF elde etmek için başka bir terimin gerekli olduğunu keşfetti - mıknatısın hareketi manyetik alan değişken olmalıdır.

Şimdi bu kimseyi şaşırtmıyor. Tüm elektrik jeneratörleri bu şekilde çalışır - bir şeyle döndürülürken, elektrik üretilir, bir ampul parlar. Durdu, dönmeyi bıraktı ve ışık söndü.

Elektromanyetik indüksiyon

Böylece, iletkenin uçlarındaki EMF yalnızca manyetik bir alanda belirli bir şekilde hareket ettirildiğinde oluşur. Veya daha kesin olarak, manyetik alan mutlaka değişmeli, değişken olmalıdır. Bu fenomen, Rus elektromanyetik rehberliğinde elektromanyetik indüksiyon olarak adlandırılır: bu durumda iletkente EMF'nin indüklendiğini söylerler. Böyle bir EMF kaynağına bir yük bağlanırsa, devrede bir akım akacaktır.

İndüklenen EMF'nin büyüklüğü birkaç faktöre bağlıdır: iletkenin uzunluğu, manyetik alanın B indüksiyonu ve büyük ölçüde iletkenin manyetik alandaki hareket hızı üzerinde. Jeneratör rotoru ne kadar hızlı döndürülürse, çıkışındaki voltaj o kadar yüksek olur.

Not: elektromanyetik indüksiyon (alternatif manyetik alandaki bir iletkenin uçlarında EMF oluşumu) manyetik indüksiyonla karıştırılmamalıdır - gerçek manyetik alanı karakterize eden bir vektör fiziksel miktarı.

EMF almanın üç yolu

indüksiyon

Bu yöntem dikkate alınmıştır. makalenin ilk bölümünde. İletkeni kalıcı mıknatısın manyetik alanında hareket ettirmek ya da tam tersi mıknatısı iletkenin yakınına taşımak için (neredeyse her zaman dönerek) yeterlidir. Her iki seçenek de alternatif bir manyetik alan elde etmenizi kesinlikle sağlayacaktır. Bu durumda, EMF elde etme yöntemine indüksiyon denir. İndüksiyon, çeşitli jeneratörlerde EMF elde etmek için kullanılır. Faraday'ın 1831'deki deneylerinde, mıknatıs giderek tel bobin içinde hareket etti.

Karşılıklı tümevarım

Bu isim, bu fenomene iki iletkenin katıldığını göstermektedir. Bunlardan birinde, etrafında alternatif bir manyetik alan oluşturan değişen bir akım akar. Yakında başka bir iletken varsa, uçlarında değişken bir EMF vardır.

Bu EMF elde etme yöntemine karşılıklı indüksiyon denir.Karşılıklı indüksiyon prensibine göre, tüm transformatörler çalışır, sadece iletkenleri bobin şeklinde yapılır ve ferromanyetik malzemelerden yapılmış çekirdekler manyetik indüksiyonu arttırmak için kullanılır.

İlk iletkendeki akım durursa (açık devre) veya hatta çok güçlü, ancak sabit hale gelirse (değişiklik olmaz), ikinci iletkenin uçlarında EMF elde edilemez. Bu nedenle transformatörler sadece alternatif akımda çalışır: birincil sargıya bir galvanik pil bağlanırsa, ikincil sargının çıkışında kesinlikle herhangi bir voltaj olmayacaktır.

İkincil sargıdaki EMF sadece manyetik alan değiştiğinde indüklenir. Dahası, değişim hızı, yani hız değil, mutlak değer ne kadar güçlü olursa, indüklenen EMF o kadar büyük olur.

Öz indüksiyon

İkinci iletkeni çıkarırsanız, ilk iletkendeki manyetik alan sadece çevredeki alana değil, iletkenin kendisine de nüfuz eder. Böylece, kendi alanının etkisi altında kendi kendine indüksiyon EMF olarak adlandırılan iletken kaynaklı EMF.

1833'te öz-indüksiyon fenomenleri Rus bilim adamı Lenz tarafından incelendi. Bu deneylere dayanarak, ilginç bir örüntü bulundu: kendiliğinden indüksiyon EMF'si her zaman karşı koyar, bu EMF'ye neden olan harici alternatif manyetik alanı telafi eder. Bu bağımlılığa Lenz kuralı denir (Joule-Lenz yasası ile karıştırılmamalıdır).

Formüldeki eksi işareti sadece EMF'nin kendi kendine indüksiyonunun nedenleri ile dengelenmesinden bahseder. Bobin bir doğru akım kaynağına bağlıysa, akım oldukça yavaş artacaktır. Transformatörün birincil sargısı bir işaretçi ohmmetre ile "çevrildiğinde" bu çok belirgindir: sıfır ölçek bölünmesi yönünde okun hızı, dirençlerin kontrol edilmesinden çok daha düşüktür.

Bobin akım kaynağından ayrıldığında, kendiliğinden indüklenen EMF röle kontaklarının kıvılcımlanmasına neden olur. Bobinin bir transistör, örneğin bir röle bobini tarafından kontrol edilmesi durumunda, güç kaynağına göre ters yönde bir diyot yerleştirilir. Bu, yarı iletken elemanları, güç kaynağının voltajından onlarca hatta yüzlerce kat daha fazla olabilecek EMF kendi kendine indüksiyonunun etkisinden korumak için yapılır.

Deneyler yapmak için Lenz ilginç bir cihaz yaptı. Alüminyum külbütör kolunun uçlarına iki alüminyum halka sabitlenmiştir. Bir halka sağlam ve diğeri kesildi. Külbütör iğnenin üzerinde serbestçe döner.

Sabit bir halkaya kalıcı bir mıknatıs sokulduğunda, mıknatıstan “kaçtı” ve mıknatıs çıkarıldığında, peşinden gitti. Kesim halkası ile aynı eylemler herhangi bir harekete neden olmadı. Bunun nedeni, alternatif bir manyetik alanın etkisi altındaki sürekli bir halkada, manyetik bir alan oluşturan bir akımın ortaya çıkmasıdır. Ancak açık halkada akım yoktur, bu nedenle de manyetik alan yoktur.

Bu deneyin önemli bir ayrıntısı, halkaya bir mıknatıs sokulur ve sabit kalırsa, alüminyum halkanın mıknatısın varlığına hiçbir reaksiyonu gözlenmemesidir. Bu bir kez daha indüksiyon EMF'sinin sadece manyetik alanda bir değişiklik olması durumunda meydana geldiğini ve EMF'nin büyüklüğünün değişim hızına bağlı olduğunu teyit eder. Bu durumda, sadece mıknatısın hareket hızından.

Aynı şey karşılıklı indüksiyon ve kendi kendine indüksiyon için de söylenebilir, sadece manyetik alan gücünde bir değişiklik, daha kesin olarak, değişim oranı akımın değişim hızına bağlıdır. Bu fenomeni açıklamak için bir örnek verebiliriz.

Büyük akımların yeterince büyük iki özdeş bobinden geçmesine izin verin: ilk bobin 10A ve ikincisi 1000'e kadar, akımlar her iki bobinde doğrusal olarak artar. Bir saniyede birinci bobindeki akımın 10'dan 15A'ya ve ikincisinde 1000'den 1001A'ya değiştiğini varsayalım ki bu da her iki bobinde kendinden indüksiyon EMF'nin ortaya çıkmasına neden oldu.

Ancak, ikinci bobindeki akımın bu kadar büyük bir değerine rağmen, kendi kendine indüksiyon EMF birincisinde daha büyük olacaktır, çünkü akım değişim hızı 5A / s'dir ve ikincisinde sadece 1A / s'dir. Gerçekten de, öz-indüksiyon EMF'si, mutlak değerine değil, akımın artış oranına (manyetik alanı okuyun) bağlıdır.

indüktans

Bobinin akım ile manyetik özellikleri, dönüş sayısına, geometrik boyutlara bağlıdır. Manyetik alanda önemli bir artış, bobine ferromanyetik bir çekirdeğin sokulmasıyla elde edilebilir. Bobinin manyetik özellikleri, EMF'nin indüksiyon, karşılıklı indüksiyon veya kendi kendine indüksiyonun büyüklüğü ile yeterli doğrulukla değerlendirilebilir. Tüm bu fenomenler yukarıda ele alındı.

Bunun hakkında konuşan bobinin karakteristiği, endüktans katsayısı (kendi kendine indüksiyon) veya basitçe endüktans olarak adlandırılır. Formüllerde, endüktans L harfi ile gösterilir ve şemalarda aynı harf endüktans bobinlerini gösterir.

Endüktans birimi Henry (GN) 'dir. Endüktans 1H, akım saniyede 1A değiştiğinde 1V'luk bir EMF'nin üretildiği bir bobine sahiptir. Bu değer oldukça büyüktür: yeterince güçlü transformatörlerin ağ sargıları bir veya daha fazla GN endüktansına sahiptir.

Bu nedenle, genellikle daha küçük bir düzen, yani milli ve mikro-henry (mH ve μH) değerlerini kullanırlar. Bu tür bobinler elektronik devrelerde kullanılır. Bobin uygulamalarından biri radyo cihazlarındaki salınım devreleridir.

Ayrıca, bobinler bobinler olarak kullanılır, temel amacı alternatif akımı zayıflatırken doğrudan akımı kayıpsız atlamaktır (filtreler güç kaynaklarında). Genellikle, çalışma frekansı ne kadar yüksek olursa, endüktans bobinleri o kadar az gereklidir.

endüktif reaktans

Yeterince güçlü bir ağ trafosu alırsanız ve bir multimetre ile ölçme birincil sargının direnci, sadece birkaç ohm ve hatta sıfıra yakın olduğu ortaya çıkıyor. Böyle bir sargıdan geçen akımın çok büyük olacağı ve hatta sonsuza kadar çıkacağı ortaya çıkıyor. Kısa devre kaçınılmaz görünüyor! Öyleyse neden olmasın?

İndüktörlerin ana özelliklerinden biri, endüktansa ve bobine bağlı alternatif akımın frekansına bağlı olan endüktif dirençtir.

Frekans ve endüktanstaki bir artışla endüktif direncin arttığını ve doğrudan akımda genellikle sıfıra eşit olduğunu görmek kolaydır. Bu nedenle, bir multimetre ile bobinlerin direncini ölçerken, sadece telin aktif direnci ölçülür.

İndüktörlerin tasarımı çok çeşitlidir ve bobinin çalıştığı frekanslara bağlıdır. Örneğin, desimetre radyo dalgaları aralığında çalışmak için, basılı kablolarla yapılan bobinler sıklıkla kullanılır. Seri üretimde bu yöntem çok uygundur.

Bir bobinin endüktansı, geometrik boyutlarına, çekirdeğine, katman sayısına ve şekline bağlıdır. Şu anda, kurşunlu geleneksel dirençlere benzer şekilde yeterli sayıda standart indüktör üretilmektedir. Bu tür bobinlerin işaretlenmesi renkli halkalarla gerçekleştirilir. Ayrıca bobin olarak kullanılan yüzeye monte bobinler de vardır. Bu tür bobinlerin endüktansı birkaç milijendir.