پنج شنبه , ۲۷ تیر ۱۳۹۸
آخرین مطالب
LINK TABLES
خانه | الکترونیک | سلف و میدان مغناطیسی

سلف و میدان مغناطیسی

سلام . حالتون خوبه ؟ امیدوارم شاداب و پر انرژی باشید چون میخواهیم بریم سراغ آموزش میدان مغناطیسی و سلف. در دنیای امروزه بیشترین انرژی تولیدی بشر توسط مولد هایی تولید میشه که بر پایه مغناطیس و میدان مغناطیسی هستند. میدان مغناطیسی هنوز هم توسط بشر به طور کامل حل و فصل نشده و آموزش هایی که تا به حال در کتاب ها وجود داشته مفهومی و جالب نبوده. امروز ما سعی کردیم آموزش این مطلب را خیلی مفهومی تر بیان کنیم تا مغناطیس رو بهتر درک کنید. در این مطلب سعی کردیم مفاهیمی از مغناطیس را بیان کنیم که در آموزش سلف ها و فهم عملکرد آن کاربرد داشته باشد. پس میریم سراغ آموزش. با ما همراه باشید.  🙂

میدان مغناطیسی

تعریف میدان مغناطیسی

تعریف لغت میدان : به محدوده ، حوزه ، فضا و مکانی گفته می شود که دارای ویژگی خاصی می باشد. مانند : میدان مین ، میدان جنگ ، میدان تره بار ، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی و … هر یک از تعاریف فوق مفهوم خاصی را در ذهن تداعی می کنند.
تعریف میدان مغناطیسی : میدان مغناطیسی به محدوده ، فضا ، حوزه ، مکان و … اتلاق می شود که دارای این ویژگی باشد که اگر ذره ی مغناطیسی تک قطب N     ( موجود ریاضی) به این ناحیه وارد شود به آن نیرو وارد می شود (جذب و یا دفع می شود) . یعنی حرکت ذره ی تک قطب دلیل بر وجود میدان مغناطیسی است.
ذره تک قطب N : ذره ای است که ابعاد و جرم آن به صفر میل می کند و چنین موجودی فرضی یا ریاضی است. این ذره فقط دارای یک قطب مغناطیسی می باشد !!! شاید این برایتان خیلی عجیب باشد چون تمام اجسام مغناطیسی دو قطبی هستند.
نکته : چنین موجودی فعلا وجود خارجی ندارد اما در آزمایشگاه های فیزیک پیشرفته چنین ذره ای را بوجود آورده اند که تک قطب باشد ولی فعلا عمری بسیار کوتاه دارد و از بین می رود . اگر چنین ذره ای را به صورت پایدار بجود آورند بشر به انرژی با شگفتی های عجیب دست یافته است . مانند دستیابی به الکتریسیته در ابتدای قرن۱۸٫

۸۳

در شکل بالا میدان مغناطیسی و خطوط میدان را مشاهده می کنید .

 

منشا پیدایش میدان مغناطیسی

در این قسمت می خواهیم بررسی کنیم که چه طور میدان مغناطیسی بوجود می آید و از چه راه هایی بوجود می آید.
۱- هرگاه بار الکتریکی حرکت کند در اطراف آن میدان دیگری ( غیر از میدان الکتریکی اطراف بار ) بوجود می آید به نام میدان مغناطیسی که جهت میدان مغناطیسی آن به دو عامل جهت بار الکتریکی و نوع بار الکتریکی متحرک بستگی دارد و مقدار میدان مغناطیسی تولید شده آن تابع سرعت حرکت بار متحرک و مقدار بار متحرک می باشد.
البته می توان گفت مقدار میدان مغناطیسی با جریان رابطه مستقیم دارد. زیرا جریان با مقدار بار الکتریکی تحت رابطه ی I= q/t نسبت مستقیم دارد. یعنی هر چه جریان بیشتر باشد مقدار بار الکتریکی که در واحد زمان می گذرد بیشتر است. این یعنی این که سرعت بار الکتریکی در این حالت بیشتر است و چون گفتیم مقدار میدان مغناطیسی با سرعت حرکت بار الکتریکی رابطه مستقیم دارد پس نتیجه می گیریم که میدان مغناطیسی با جریان رابطه ی مستقیم دارد.
در شکل های زیر می خواهیم بیان کنیم که با حرکت بار های ازاد در یک جهت معین ، میدان مغناطیسی ایجاد می شود.

۸۵۸۴۸۷

 

 

 

 

 

 

۸۶

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

۲- دومین عامل تولید کننده ی میدان مغناطیسی ، وجود مولکول های مغناطیسی منظم شده درون یک جسم ( آهن ربای دائمی ) می باشد که در مورد مولکول های مغناطیسی بعدا توضیح خواهیم داد . یعنی کوچکترین ذره ای که دارای قطب N و S باشد که قطب N و S آن نسبی است و باعث می شود میدان ها جمع شوند و یک میدان یک پارچه را بوجود آورند.

۳- سومین عامل تولید کننده میدان مغناطیسی این است که هرگاه میدان الکتریکی در ناحیه ای تغییر کند در آن جا میدان مغناطیسی متغیر بوجود می آید.

 

تقسیم بندی مواد از نظر مغناطیسی

تقسیم بندی مواد از نظر مغناطیسی

تقسیم بندی مواد ازنطر مغناطیسی

مواد از نظر مغناطیسی به شش گروه تقسیم می شوند :
۱٫ دیا مغناطیس
۲٫ پارا مغناطیس
۳٫ فری مغناطیس
۴٫ فرو مغناطیس
۵٫ آنتی فرو مغناطیس
۶٫ سوپر پارا مغناطیس
برای درک تفاوت این مواد به اثر مغناطیسی یک اتم ساده می پردازیم :
از آن جا که منشأ پیدایش میدان مغناطیسی حرکت بار های الکتریکی می باشد پس در ساختمان اتم که الکترون به دور هسته و همچنین به دور خود می چرخد باید خاصیت مغناطیسی وجود داشته باشد که همین عامل تفاوت میان مواد از نظر مغناطیسی را بیان می کند .

 

۸۸

 

وقتی الکترون به دور هسته می چرخد با توجه به توضیحی که دادیم میدان مغناطیسی اطراف خود ایجاد می کند.
با حرکت الکترون به دور هسته دو میدان ایجاد می شود . یک میدان ناشی از حرکت وضعی الکترون به دور خودش می باشد که جهت این میدان به جهت چرخش الکترون به خودش بستگی دارد و این میدان در اطراف خود الکترون ایجاد می شود .

میدان دیگر ناشی از حرکت الکترون به دور هسته اتم می باشد که محدوده این میدان حوالی محدوده چرخش الکترون به دور هسته ایجاد می شود . جهت این میدان به جهت چرخش الکترون به دور هسته بستگی دارد که در قسمت قبل تعیین جهت آن را توضیح داده ایم.
البته این را بدانیم که میدان دیگری ناشی از لغزش و چرخش پروتون درون هسته اتم وجود دارد که این میدان ایجاد شده بسیار ضعیف است ، جون حرکت پروتون بسیار جزئی است و از آن صرف نظر می کنیم.
پس نتیجه می گیریم اگر در اتمی این دو میدان باهم یک جهت باشند اتم خاصیت مغناطیسی دارند و اگر این دو میدان با یکدیگر مخالف باشند اتم خاصیت مغناطیسی ندارد.
تاثیر این دو میدان در شش گروه گفته شده بررسی می کنند :

۱- دیا مغناطیس

موادی هستند که تک تک اتم های آن خاصیت مغناطیسی ندارند ، یعنی دو میدان ناشی از چرخش الکترون به دور هسته با چرخش الکترون به دور خودش با هم مخالف است و این دو میدان یکدیگر را کاملا خنثی می کنند و در نتیجه اتم هیج خاصیت مغناطیسی ندارد و ماده ی تشکیل شده از این اتم ها نیز خاصیت مغناطیسی ندارد. مانند : بیسموت ، هلیم ، هیدروژن ، مس ، طلا ، سیلیسیم ، نمک طعام ، گرافیت ، گاز های بی اثر ، گوگرد ، آب و …
البته مطلب فوق زمانی صدق می کند که ماده در اثر میدان مغناطیسی خارجی قرار نگیرد. اگر این ماده در اثر یک میدان مغناطیسی خارجی بسیار قوی قرار گیرد میدان حاصل از چرخش الکترون به دور هسته تحت تاثیر این میدان قرار می گیرد به طوری که اگراین میدان مخالف میدان خارجی باشد ، سرعت حرکت الکترون به دور هسته کاهش می یابد ( چون میدان مغناطیسی حاصل از حرکت الکترون به دور هسته نمی تواند در اثر میدان خارجی تغییر جهت دهد و هم جهت با میدان خارجی شود ، پس سرعت حرکت الکترون کم می شود تا این میدان ضعیف تر بشود ) و در اثر این اتفاق میدان حاصل از چرخش الکترون به دور هسته ضعیف می شود و اتم دارای خاصیت مغناطیسی می شود چون برایند میدان مغناطیسی حاصل چرخش الکترون به دور خودش و یه دور هسته یک میدان مغناطیسی است . پس در صورت جسم یا ماده مغناطیس شده به طوری که با میدان خارجی مخالفت کند.
بررسی علت های اتفاقات فوق از این بحث خارج است و در دروس فیزیک در آن بیشتر بحث می شود اما در این بخش دانستن همین موضوع کافی است.
نکته : دلیل این که در دیا مغناطیس ، چرا میدان مغناطیسی که در اثر چرخش الکترون به دور هسته ایجاد می شود با میدان خارجی همیشه مخالف است را با آزمایشات می توان فهمید.
پس نتیجه می گیریم که دیا مغناطیس جسمی است که خاصیت مغناطیسی ندارد اما زمانی که در اثر یک میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار می گیرد ، این ماده نیز مغناطیس شده به طوری که میدان مغناطیسی خارجی را دفع می کند.

۲- پارا مغناطیس

در مواد پارا مغناطیس اتم به تنهایی کمی به تنهایی خاصیت مغناطیسی دارد اما اتصال اتم ها و تشکیل شدن جسم طوری است که میدان ها همدیگر را خنثی می کنند و چنین ماده ای هیچ خاصیت مغناطیسی ندارد ولی اگر جسم پارا مغناطیس در اثر میدان خارجی قرار بگیرد اتم های آن هم جهت با میدان شده و در نتیجه میدان درون جسم از میدان خارجی قوی تر می شود و جسم میدان خارجی را جذب        می کند.

۳- فری مغناطیس

تک تک اتم های این ماده خاصیت مغناطیسی دارند و این میدان ناشی از قوی بودن میدان حاصل از حرکت مداری الکترون ها می باشد در نتیجه تک تک اتم ها به شدت مغناطیس اند ولی یک جسم فری مغناطیس که از اتصال اتم ها به یکدیگر تشکیل شده ممکن است گروه هایی از این اتصالات میدان های یکدیگر را خنثی کنند ، در نتیجه جسم فری مغناطیس خاصیت مغناطیسی نداشته باشد.

اگر این جسم در اثر یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گیر اتم ها هم جهت با میدان خارجی قرار گرفته در نتیجه میدان های مغناطیسی آن ها منظم شده و جسم مغناطیس می شود .

۴- فرو مغناطیس

این ماده کاملا شبیه مواد فری مغناطیس است با این تفاوت که از نطر الکتریکی هادی است ولی فری مغناطیس از نظر الکتریکی عایق است.

۵- آنتی فرو مغناطیس

تک تک اتم های این ماده به شدت خاصیت مغناطیسی دارند ولی اتصال اتم های آن به گونه ای است که دو به دو اثر یکدیگر را خنثی می کنند و در نتیجه کل جسم هیچ خاصیت مغناطیسی ندارد و حتی وقتی درون میدان مغناطیسی خارجی هم قرار می گیرد مغناطیس نمی شود. مانند : استیل از نوع نگیر

۶- سوپر پارا مغناطیس

ذرات تشکیل دهنده ی این ماده به این صورت است که ذره ی کوچکی از ماده فرو یا فری در قالبی از ماده ی پارا محصور شده باشد شبیه میوه ی هلو که هسته ی آن فرو یا فری و میوه ی آن پارا مغناطیس است. به دلیل قالب پارا مغناطیس فاصله ای بین ذرات فرو ایجاد می شود که از تاثیر میدان های آن ها بر یکدیگر جلوگیری می کند که وقتی چنین ماده ای درون یک میدان خارجی قرار می گیرد ذرات فرو در جهت میدان خارجی منطم می شوند و پس از خارج شدن از میدان خارجی نظم خود را حفظ می کنند . به این دلیل از این مواد می تواند به عنوان حافظه از نوع میدان مغناطیسی استفاده کرد. مانند : نوار های کاست ، نوار های ویدئو ، فلاپی ها و . . .

کمیت های میدان مغناطیسی

۱) مقدار خطوط میدانφ

به مسیر حرکت ذره تک قطب N درون میدان مغناطیسی خط نیرو و به مجوع آن ها خطوط نیرو میدان مغناطیسی می گویند.
واحد خطوط میدان V.S یا W (وبر) می باشد و از اجزای آن نیز ماکسول می باشد.

W=10^8ماکسول

۹۷

 

 

۲) نیروی محرکه میدان مغناطیسی θ

عامل بوجود آورنده ی خطوط میدان ( جریان مغناطیسی φ ) را نیروی محرکه ی مغناطیسی می گوییم.
واحد نیروی محرکه مغناطیسی آمپر یا آمپر دور است. (A یا AN )

۹۹

 

در این رابطه I مقدار جریان و N تعداد دور سیم پیچ است.

 

۳) شدت میدان مغناطیسی H

مقدار نیروی محرکه مغناطیسی که در هر واحد از طول مسیر خطوط میدان افت می کند و یا نیرویی که از اطراف میدان به ذره تک قطب N وارد می شود.

واحد شدت میدان مغناطیسی آمپر دور بر متر می باشد. (A/m) که با تسلا نیز واحد آن را نام می برند و از دیگر اجزای آن گاوس است.

۹۸

 

 

 

در این رابطه θ نیروی محرکه میدان مغناطیسی و L طول مسیر خطوط میدان می باشد.

 

۴- چگالی میدان مغناطیسی B

مقدار خطوط میدان ( ɸ ) که از واحد سطح ( m2 ) می گذرد را تراکم خطوط میدان می گویند.
واحد چگالی میدان را با وبر بر متر مربع نشان می دهند. wb/m^2 یا تسلا ۹۴

 

 

در این رابطه ɸ مقدار خطوط میدان مغناطیسی و A سطحی است که خطوط از آن می گذرد و α زاویه بین خطوط میدان و با محور صفحه می باشد.

 

۵- ضریب گذر دهی خطوط میدان مغناطیسی

چون رفتار مواد درون میدان مغناطیسی متفاوت است برای بیان این تفاوت برای هر ماده ضریبی را در نظر می گیریم به نام ضریب نفوذ خطوط میدان مغناطیسی.
واحد ضریب گذردهی هانری بر متر یا H/m می باشد.۹۶

 

در این رابطه μ ضریب گذر دهی مطلق ماده می باشد و ۰μ مقدار ضریب نفوذ در خلا و rμ مقدار ضریب نفوذ نسبی ماده را بیان می کند یعنی ضریب نفوذ آن نسبت به خلا .۹۵

 

می توان برای تراکم خطوط میدان رابطه ی دیگری را در نظر گرفت :۱۰۱

 

۱۰۰

 

 

 

۶- مقاومت مغناطیسی ( رلوکتانس ) R

ایستادگی در مقابل عبور خطوط میدان یا در مقابل عبور جریان مغناطیسی را مقاومت مغناطیسی می گویند.

۱۰۴

 

 

 

۱۰۲

 

 

 

در رابطه بالا L طول جسم و A سطح مقطع جسم می باشد و همچنین μ ضریب نفوذ مغناطیسی جسم می باشد.

واحد رلوکتانس را می توانیم به صورت رو به رو بدست آوریم : ۱۰۳

 

 

 

پدیده ی اشباع و اثر آن

می دانیم که با افزایش عامل مغناطیس کننده ( نیروی محرکه مغناطیسی ، جریان الکتریکی ، شدت میدان مغناطیسی ) باعث منطم شدن مولکول های مغناطیسی هسته می شود و در نتیجه میدان درون هسته رو به افزایش است. اما مقدار این افزایش خطی نیست و به مرور در حال نقصان است تا جایی که دیگر افزایشی انجام نمی گیرد و هر چه عامل مغناطیس کننده بیشتر شود در افزایش میدان تاثیری ندارد که به این پدیده اشباع مغناطیسی می گوییم .
علت این امر این است که افزایش میدان در هسته های فری و فرو با منطم شدن مولکول های مغناطیسی انجام می شود هرچه این مولکول ها منطم تر شوند میدان افزایش می یابد تا جایی که تمام مولکول های مغناطیسی منظم شده اند و

دیگر با افزایش جریان الکتریکی یا نیروی محرکه میدان افزایش نمی یابد چون تمام مولکول های مغناطیسی هسته منطم شده اند.

۸۹

این پدیده اشباع در هسته های فرو یا فری مغناطیس روی می دهد و همین عامل باعث پیچیدگی درس مغناطیس و ماشین های الکتریکی می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اثر متقابل میدان های مغناطیسی

اثر متقابل میدان های مغناطیسی

اثر متقابل میدان های مغناطیسی

هنگامی که دو جسم مغناطیسی در مجاورت یکدیگر قرار می گیرند ، میدان های مغناطیسی آن ها بر یکدیگر اثر می کنند. اگر خطوط نیرو هر دو در یک جهت باشند ، یکدیگر را جذب می کنند و به هم می رسند. به همین دلیل است که قطب های ناهمنام یک دیگر را جذب می کنند.

۹۰

اگر خطوط نیرو در جهت های مخالف باشند ، نمی توانند با هم ترکیب شوند و چون نمی توانند یک دیگر را قطع کنند ، نیرو های مخالف بر یکدیگر وارد می کنند. به همین دلیل است که قطب های همنام بر یکدیگر وارد می کنند. این اثر متقابل خطوط نیرو را بوسیله ی براده های آهن نیز می توان نشان داد.

۹۱

میدان مغناطیسی ناشی از سیم حامل جریان

۹۲

چون الکترون ها به علت حرکت وضعی در اطراف خود میدان مغناطیسی تولید می کنند ، چنین به نظر می آید که انباشتن الکترون های اضافی در جسم می تواند میدان مغناطیسی تولید کند ولی الکترون ها با چرخش های وضعی مخالغ هم ، آثار مغناطیسی یکدیگر را خنثی می کنند. در نتیجه ، الکتریسیته ی ساکن دارای میدان مغناطیسی نیست ولی هنگامی که با اعمال ولتاژی به دو سر سیم ها جریان الکتریکی در آن برقرار می شود ، الکترون های جهت گرفته نمی توانند با چرخش های وضعی مخالفت کنند و اثر مغناطیسی یکدیگر را خنثی نمایند. بر عکس چون همه در یک جهت حرکت می کنند ، میدان های مغناطیسی آن ها با هم جمع می شوند.

در سا ل ۱۸۱۹ ، هانس کریستین ارستد کشف کرد که سیم حامل جریان در اطراف خود میدان مغناطیسی تولید می کند که این میدان بر عقربه ی قطب نما اثر می گذارد.

چون میدان مغناطیسی به دور یک الکترون حلقه ای را به وجود می آورد ، میدان های مغناطیسی اطراف الکترون های جهت گرفته در یک سیم با یکدیگر تشکیل حلقه هایی بخ دور سیم می دهند.
طبق شکل رو به رو چنان چه موقعیت سیم را تغییر دهید ، عقربه ی قطب نما با جهت نیرو منطبق می شود. عقربه ی قطب نما همیشه عمود بر سیم حامل جریان قرار می گیرد. وقتی جهت جریان را تغییر دهیم، عقربه ی قطب نما تغییر جهت می دهد.

برای تعیین جهت خطوط میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان می توان از قانون دست راست استفاده کرد. چنان چه طبق شکل زیر انگشت های دست راست را به دور سیم بپیچیم ، به طوری که انگشت شست در جهت جریان قرار بگیرد ، بسته شدن بقیه ی انگشتان جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد.

۹۳

 

اثر الکترومغناطیسی در یک حلقه 

اگر سیمی را به صورت حلقه در آوریم و از آن جریان الکتریکی عبور دهیم ، خطوط نیروی مغناطیسی اطراف سیم همه طوری مرتب خواهند شد که از یک طرف به حلقه وارد و از طرف دیگر خارج می شوند. در مرکز حلقه ، خطوط نیرو متمرکز می شوند و یک میدان مغناطیسی بوجود می آورند.
در نتیجه ی این عمل قطب های مغناطیسی به وجود می آیند. به طوری که قطب شمال در طرفی از حلقه قرار دارد که خطوط نیرو از آن خارج می شوند و قطب جنوب در طرفی از حلقه قرار دارد که خطوط نیرو به آن وارد می شوند.

۱۰۵
چگالی میدان مغناطیسی در مرکز حلقه بیشتر است. همچنین هر قدر شدت جریان عبوری بیشترباشد ، تراکم خطوط نیرو قوی تر خواهد بود.

 

اثر الکترومغناطیسی در یک بوبین

اگر سیمی در یک جهت به صورت حلقوی پیچیده شود ، یک بوبین تشکیل می دهد. اگر از این بوبین جریانی عبور کند، میدان های مغناطیسی حلقه ها به یکدیگر اضافه می شوند و میدان مغناطیسی بوبین قوی تر می شود. هر چه تعداد حلقه ها بیشتر باشد و حلقه ها به صورت فشرده کنار هم قرار داده شوند ، میدان های مغناطیسی بیشتری به یکدیگر اضافه می کنند و در نتیجه میدان مغناطیسی بوبین قوی تر خواهد بود.
برای تعیین قطب های یک بوبین از دست راست استفاده می کنند. طبق شکل زیر چنان چه انگشت هاینتان را در جهت جریان و حلقه های بوبین را به دور بوبین حلقه کنید انگشت شست در جهت قطب N قرار می گیرد.

۱۰۶
چگالی خطوط به عوامل زیر بستگی دارد :
۱- هرچه تعداد حلقه های بوبین بیشتر باشد ، میدان مفناطیسی حلقه ها با هم جمع می شوند و میدان مغناطیسی قوی تریخواهیم داشت. بنابراین ، تراکم خطوط نیرو با تعداد حلقه های بوبین (N ) نسبت مستقیم دارد.

۱۰۷

۲- هرچه شدت جریان عبوری از بوبین بیشتر باشد ، میدان مغناطیسی قوی تری ایجاد می شود ؛ بنابراین چگالی میدان مغناطیسی (تراکم خطوط نیرو) با شدت جریان (I ) نسبت مستقیم دارد.
۳- اگر حلقه های بوبین به صورت خیلی فشرده کنار هم پیچیده شده باشند ، میدان های بیشتری به یکدیگر اضافه می شوند که این عمل باعث قوی تر شدن میدان مغناطیسی می شود. به عبارت دیگر ، چگالی میدان مغناطیسی با طول بوبین (L ) نسبت عکس دارد.

۱۰۸

۱۰۹

۴- چنان چه هسته ی آهنی در داخل بوبین قرار دهیم ، میدان مغناطیسی بوبین قوی تر می شود. آهن نرم جسم مغناطیسی است که رلوکتانس کمی دارد و باعث می شود که خطوط نیرو بیشتر در مقایسه با هوا در آن متمرکز شود. هر چه خطوط نیرو در هسته بیشتر متمرکز شوند ، میدان مغناطیسی قوی تر است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بوبین (سلف) Inductance

تعریف

اگر مقداری سیم به دور محور یا هسته ای پیچانده شود , بویین یا سیم پیچ به وجود می آید. از هسته علاوه بر اثرات القایی به جای تکیه گاه جهت پیچاندن و نگهداری سیم استفاده می شود. در شکل زیر تعدادی بویین با هسته ی هوایی و فلزی بویین هایی را که هسته ی فلزی دارند و اغلب دارای تعداد دور استاندارد هستند , در اصطلاح چوک (choke) می گویند . چوک ها معمولاً حفاظ خارجی دارند , مانند : چوک مهتابی , چوک بلندگو و … . از چوک مهتابی در مصارف برقی و از چوک بلندگو در مصارف الکتریکی استفاده می شود.

۱۱۰

 

میدان مغناظیسی حاصل از یک جریان مستقیم و متناوب

اگر دو سریک هادی را مطابق شکل زیر به جریان مستقیم وصل کنیم , شدت جریان به طور ناگهانی از صفر به ماکزیمم مقدار خود می رسد و میدان مغناطیسی در اطراف هادی نیز به ناگاه از صفر به مقدار ماکزیمم خود افزایش می یابد . تا موقعی که جریان در هادی جاری است , میدان در ماکزیمم مقدار خود باقی می ماند . چنان چه مدار باز شود جریان , صفرشده و میدان نیز به صفر کاهش می یابد .

۱۱۱

اگر دو سر یک هادی را مطابق شکل زیر به یک جریان متناوب وصل کنیم , مقدار جریان و در نتیجه , شدت میدان مغناطیسی در اطراف هادی پیوسته تغییر می کنند . با اضافه شدن تدریجی جریان , میدان حاصل نیز قوی تر می شود و برعکس , با کم شدن جریان میدان نیز کم تر خواهد شد از آنجا که جریان متناوب در هر نیم سیکل تغییر جهت می دهد , جهت میدان نیز معکوس می شود , بنابراین جهت میدان مغناطیسی در هر لحظه به وسیله ی جهت جریان مشخص می شود.

۱۱۲

 

خود القایی

با طی نیم پریود از جریان متناوب عبوری از یک هادی , میدان مغناطیسی ایجاد می شود و سپس به تدریج از بین می رود . در نیم سیکل بعدی نیز میدان در جهت مخالف ایجاد می شود و به تدریج از بین می رود.

زمانی که میدان مغناطیسی در حال ایجاد شدن است , خطوط قوای مغناطیسی از مرکز هادی به طرف خارج گسترش می یابند. میدان در حال گسترش به وسیله هادی قطع می شود و یک نیروی محرکه الکتریکی (emf) در هادی تولید می گردد.

با کم شدن میدان و قطع خطوط قوا به وسیله هادی , باز هم یک نیروی محرکه ی الکتریکی در هادی القا می شود . بنابراین , افزایش یا کاهش جریان در هادی سبب گسترش یا فروکش کردن میدان مغناطیسی در اطراف آن می شود و نیروی محرکه ای متناسب با تغییرات میدارن در هادی القا می گردد. این خاصیت را خود القایی می گویند. توجه داشته باشید که اگر جریان عبوری از هادی ثابت باشد , میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز ثابت خواهد بود و لذا نیروی محرکه ای در هادی القا نمی شود . شکل زیر القای نیروی محرکه را در زمان تغییر جریان نشان می دهد.

۱۱۳

مقدار نیروی محرکه ی الکتریکی خود القا

نیروی محرکه ی الکتریکی القاشده در یک هادی به وسیله تغییر در شدت جریان عبوری از آن , همانند هر نیروی محرکه ای دارای مقدار و جهت است . از جمله عواملی که مقدار نیروی محرکه ی القا شده را معین می کند , میزان تغییرات شدت میدان مغناطیسی است . به طوری که می توان نوشت :

∆φ/∆T emf مقدار در این رابطه ، ∆φتغییرات شار مغناطیسی و ∆T تغییرات زمان را نشان می دهد و شدت میدان مغناطیسی به سرعت تغییرات جریان و با تغییرات فرکانس بستگی دارد ؛ بنابراین مقدار نیروی محرکه ی القا شده، با فرکانس جریان متناسب است. با افزایش فرکانس ، نیروی محرکه ی القا شده افزایش و با کاهش فرکانس نیروی محرکه القا شده ، کاهش می یابد.

مقدار جریان نیز از عوامل دیگری است که مقدار نیروی محرکه ی القا شده را معین می کند ، یعنی هر چه شدت جریان عبوری از هادی بیش تر باشد ، میدان ایجاد شده قوی تر و هر چه جریان کم تر باشد ، میدان ایجاد شده ضعیف تر می شود . پس به طور کلی می توان گفت که مقدار نیروی محرکه ی القا شده (خود القا) به دامنه و فرکانس جریان عبوری از هادی بستگی دارد . شکل زیر عوامل ذکر شده را به خوبی نشان می دهد .

۱۱۴

 

قانون لنز

در سال ۱۸۳۴ یک فیزیکدان آلمانی به نام لنز قانونی را به جهانیان ارائه داد که بیانگر جهت نیروی محرکه ی القایی در یک هادی بود و ما اکنون آن را به نام قانون لنز می شناسیم . براساس قانون لنز ، هر تغییر در جریان عبوری از یک هادی باعث ایجاد نیروی محرکه ی خود القایی می شود که اثر آن با جهت تغییرات جریان مخالفت می کند ؛ به عبارت دیگر، هنگامی که جریان کاهش میابد ، نیروی محرکه ی القایی در جهتی است که با کاهش جریان مخالفت می کند و هنگامی که جریان افزایش می یابد ، باز جهت نیروی محرکه ی خود القایی طوری است که با افزایش جریان مخالفت می کند .رابطه ی بین ولتاژ یا نیروی محرکه ی القا شده را با ولتاژی که باعث ایجاد جریان می شود (ولتاژ داده شده ) ، با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه نشان می دهد .

با زیاد یا کم شدن ولتاژ داده شده در یک جهت ، نیروی محرکه القا شده در جهت مخالف آن زیاد یا کم می شود. از آنجا که عمل نیروی محرکه ی القایی مخالف با ولتاژ داده شده است ، آن را نیروی ضد محرکه ی القایی می نامند و با C_emf=-∆φ/∆T محاسبه می کنند.

۱۱۵

 

تاثیر شکل هادی برخودالقایی

پیش از این دو عامل دامنه و فرکانس جریان را که بر خود القایی موثرند بررسی کردیم . عامل سومی که بر خود القایی تاثیر می گذارد ، شکل فیزیکی هادی است که مورد مطالعه قرار می گیرد.
اکنون اگر یک هادی به صورت بویین (سیم پیچ) باشد اولاً به دلیل این که طول آن بیشتر است ، نیروی ضدمحرکه ی بیشتر القا می شود . ثانیاً چون هر خط میدان ، در بیش از یک نقطه از هادی نیروی ضد محرکه ی القایی ایجاد می کند ، نیروی ضد محرکه ی حلقه ها به هم کمک کرده نیروی ضدمحرکه ی قوی تری تشکیل می شود . هرچه تعداد حلقه های یک سیم پیچ بیش تر باشد ،نیروی ضد محرکه ی تشکیل شده قوی تر خواهد بود به طوری که می توان نوشت :  Cemf=N ∆φ/∆t که در این رابطه ،N تعداد دور سیم پیچ است .

۱۱۶

 

اندوکتانس یا ضریب خود القا

هرگاه تعداد خطوط قوای قطع شده توسط یک هادی در واحد زمان را ضریبی که توسط شکل هادی تعیین می شود ضرب کنیم ، مقدار نیروی ضدمحرکه ی ایجاد شده در آن به دست می آید ؛ یعنی :

۱۲۵

ضریب مورد بحث – یعنی L – را که مقدار آن به شکل هادی بستگی دارد ، ضریب خود القا یا اندوکتانس آن هادی می گویند .

اندوکتانس در حقیقت یکی از خصوصیات های فیزیکی یک هادی یا سیم پیچ است اما اغلب آن را بر اساس تاثیری که بر عبور جریان دارد , تعریف می کنند بنابراین اندوکتانس عبارت است خاصیت هر هادی در مقابل هر تغییر در شدت جریان عبوری از آن . لذا بدیهی است که اندوکتانس در جریان مستقیم اثری ندارد و تنها اثرش – که مخالف با تغییر شدت جریان است – هنگامی ظاهر می شود که شدت جریان متغیر باشد . اندوکتانس در واقع معیاری است برای سنجش این که به ازای هر تغییری در شدت جریان چه مقدار نیروی ضد محرکه تولید   می شود .

واحد اندوکتانس هانری است که از نام دانشمند کاشف آن گرفته شده است . هانری مقدار اندوکتانس یک هادی است ،اگر تغییر جریان یک آمپر در ثانیه در آن نیروی ضد محرکه ی یک ولت ایجاد کند.چون هانری واحد نسبتاً بزرگی است ،غالباً اندوکتانس را بر حسب واحدهای کوچک تری چون میلی هانری ( ۳- ^ ۱۰ هانری ) و میکرو هانری ( ۶- ۱۰ هانری ) به کار می برند.

۱۲۲

علامت منفی نشان می دهد که نیروی ضد محرکه ی ایجاد شده ،با ولتاژ داده شده در فاز مخالف است .

 

عوامل موثر در ضریب خود القا (اندوکتانس)

عوامل موثر در ضریب خود القا یا اندوکتانس یک سلف را به دو دسته تقسیم می کنیم :
الف – جنس هسته
ب- عوامل فیزیکی
الف – جنس هسته : از یک سیم پیچ درست شده است و ماده ای که سیم به دور آن پیچیده می شود ، هسته نام دارد . این هسته ها ممکن است از مواد مغناطیسی یا غیر مغناطیسی باشند . هسته های با مواد مغناطیسی ، خطوط قوای مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ را به راحتی از خود عبور می دهند ؛ یعنی قابلیت نفوذ پذیری (ضریب نفوذ)آن ها زیاد است. این مواد را معمولاً مواد فرو مغناطیسی می نامند .
ضریب نفوذ هسته را با حرف µ (مو) مشخص می کنند . ضریب نفوذ مغناطیسی هسته تعیین کننده ی ضعف میدان مغناطیسی در هسته است . ضریب نفوذ مواد ( µr ) نسبت به ضریب نفوذ هوا ( μ۰ ) سنجیده و به صورت μ=μr . μ۰ بیان می شود.

۱۲۳

در  رابطه  رو به رو  μr برای مواد فرو مغناطیسی بزرگتر از ۱۰۰ و برای مواد غیر مغناطیسی حدود ۱ است.

ب – عوامل فیزیکی :۱۱۷
۱- تعداد دور سیم پیچ
۲- طول سیم پیچ
۳- سطح مقطع هسته

 

اندو کتانس با توجه به عوامل موثر در آن به صورت زیر نوشته می شود .۱۲۴

 

 

L اندوکتانس بر حسب هانری ، µ ضریب نفوذ هسته بر حسب هانری بر متر ، A سطح مقطع هسته بر حسب متر مربع و I طول سیم پیچی بر حسب متر است.

 

ثابت زمانی

در یک مدار مقاومتی جریان مستقیم ، شدت جریان به طور لحظه ای تغییر می کند ؛ یعنی با بستن کلید ، جریان به طور ناگهانی از صفر به ماکزیمم و با قطع کلید ، دفعتا از ماکزیمم به صفر می رسد. در صورتی که بوبین به مدار اضافه شود ، جریان دیگر نمی تواند به این صورت تغییر کند ؛ بنابراین ، با بستن کلید ، جریان سعی دارد به طور آنی افزایش یابد اما نیرو ی ضد محرکه ی ایجاد شده با افزایش آنی جریان مخالفت می کند. در نتیجه ، مدت زمانی طول می کشد تا جریان به مقدار ماکزیمم خود برسد. با قطع کلید نیز جریان به طور آنی به صفر نمی رسد ؛ زیرا نیروی ضد محرکه ی تولید شده ، با این تغییر سریع مخالفت می کند. لذا جریان به تدریج صفر می شود.

طی این تغییرات ، رابطه ای مابین جریان بدست آمده و مدت زمان رسیدن به این جریان ، بوجود می اید که به وسیله ی کمیتی به نام ثابت زمانی بیان می شود و آن را با حرف τ نشان می دهند.

برحسب تعریف ، ثابت زمانی به مدت زمانی گفته می شود که جریان در یک سلف به ۶۳٫۲ درصد مقدار ماکزیمم یا مینیمم خود برسد. مقدار ثابت زمانی در یک مدار سلفی به مقدار مقاومت (R ) و اندوکتانس (L ) بستگی دارد و از رابطه ی زیر بدست می آید:

τ = L / R

همان گونه که گفته شد می بینید که ثابت زمانی با اندوکتانس رابطه ی مستقیم و با مقاومت نسبت عکس دارد ؛ بنابراین ، هرچه اندوکتانس بزرگتر یا مقاومت کوچکتر باشد ، ثابت زمانی طولانی تر خواهد شد و بر عکس. اگر اندوکتانس (L ) برحسب هانری و مقاومت (R ) برحسب اهم باشد ، ثابت زمانی برحسب ثانیه بدست می آید.معمولا ۵ ثابت زمانی طول می کشد تا جریان در یک سلف به مقدار ماکزیمم یا مینیمم خود برسد. مقدار درصد افزایش یا کاهش شدت جریان را در ثابت زمانی های مختلف با توجه به منحنی های شکل زیر مشاهده    می کنید.

معمولا ۵ ثابت زمانی طول می کشد تا جریان سلف به مقدار ماکزیمم یا مینیمم خود برسد. این مقدار کاهش یا افزایش را در منحنی های زیر مشاهده می کنید :

۱۱۸

۱۱۹

 

 

 

چند مثال از کاربرد سلف

از خاصیت سلف که شامل یک سیم پیچ و یک هسته می باشد در دستگاه های گوناگون استفاده می شود. به عنوان مثال می توانیم به دستگاه ضبط و پخش صوت اشاره کنیم. در این گونه دستگاه ها مجموعه ای متشکل از یک سیم پیچ با هسته بسیار حساس،به نام “هد” در دستگاه وجود دارد. به هنگام ضبط صدا بر روی نوار ، مداری به عنوان “پری آمپلی فایر”،صدای ایجاد شده در محیط را به وسیله میکروفون دریافت کرده و به هد دستگاه منتقل می کند.

۱۲۰

 

حد متناسب با صوت دریافتی، مقداری نیروی مغناطیسی ایجاد می نماید.این نیروی مغناطیسی بر روی نوار کاست (که از ترکیبات آهن ساخته شده است) و متناسب با فشار مغناطیسی وارد شده،اثر می گذارد.چنانچه گفتیم نیروی مغناطیسی توسط آهن تا مدتی حفظ می گردد.این عمل باعث می شود تا صدای پخش شده در محیط،بر روی یک نوار کاست ضبط گردد.در حالت پخش صوت،هد ضبط به مدار دیگری متصل می شود.یعنی این بار تاثیرات میدان مغناطیسی نوار کاست بر روی هسته هد اثر نموده و باعث ایجاد جریان های ضعیفی در دو سر سیم پیچ هد می گردد.این جریان های ضعیف توسط تقویت کننده هایی قوی تر شده و به حدی می رسد که بتوان به وسیله آن بلندگو را به کار انداخت.

 

بلندگو

در مورد نحوه عمل سیم پیچ و میدان مغناطیسی می توان به ساختمان یک بلندگو اشاره نمود.در بلندگو یک سیم پیچ در داخل یک آهن ربای دائم قرار گرفته است.با عبور جریان از سیم پیچ و ایجاد میدان مغناطیسی در آن،میدان بر روی هسته مغناطیسی بلندگو تاثیر گذاشته و دو میدان به وجود آمده،بر یکدیگر تاثیر می گذارند. در شکل زیر فرض کنید که جریانی از سیم پیچ B و A عبور نموده و باعث ایجاد میدان مغناطیسی قطب S در سمت A شده باشد. این میدان توسط قطب N هسته بلندگو جذب شده و سیم پیچ به طرف داخل حرکت می کند. اکنون اگر جهت جریان عوض شود،نقطه A حالت قطب N را به خود گرفته و توسط قطب N هسته دفع می گردد،پس سیم پیچ به طرف بیرون حرکت می نماید.با اتصال صفحه ای به شکل شیپور به سیم پیچ و با عبور جریان از سیم پیچ،نیروهای مغناطیسی فوق،صفحه شیپوری را به حرکت درآورده و در نتیجه هوای اطراف صفحه را به حرکت در می آورد و عمل ارتعاش هوا موجب پیدایش صوت می شود.

۱۲۱

در مورد سیم پیچ ها و هسته ها می توان به قطعه ای به نام “ترانسفورمر” نیز اشاره نمود.
افزون بر این موارد سلف هم همانند خازن در مدارات مخابراتی به عنوان فیلتر و در مدارات الکترونیکی همانند منابع تغذیه بسیار پر کاربرد می باشد و در بعضی از موارد هم برای گرفتن نویز و یا یک قطعه ایمنی در مدارات مختلف از آن استفاده می کنیم.

توجه : تعدادی از تصاویر این مطلب از کتاب مبانی برق گرفته شده است

برای مطالب بیشتر در مورد سلف و مطالب گفته شده به لینک زیر مراجعه کنید:

مبانی برق (فصل پنجم) مبانی برق (فصل دهم)

منابع استفاده شده در این مطلب

۱ – مبانی برق : مهندس فریدون قیطرانی

۲- فلوبد توماس ، اصول و مبانی مدار های الکتریکی

۳- مجموعه جزوات هنرستان نمونه دولتی آزادی فلسطین

خب دیگه . این قسمت هم به پایان رسید و بخش مبانی برق و الکترونیک مقدماتی تموم شد . در ادامه میخایم بریم سراغ الکترونیک پایه و ادوات نیمه هادی . ولی مثل الکترونیک مقدماتی خیلی تئوری محض و مفصل گویی نمی کنیم بلکه میخایم بیشتر روی مدار های عملی و کاربردی توجه کنیم تا شما  برای ساخت پروژه و عملی کارکردن و طراحی پروژه ها قوی تر بشید. موفق باشید.

درباره ی Mahdiyar

یک دیدگاه

  1. عالی بود مرسی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *