تحقيق قوانين الکترومغناطیسی
مقدمه:
پدیده آهنربایی 2500 سال پیش در شهرماگنزیا مشاهده شد. آهنربا دارای دو قطب شمال N و جنوب S است. دو قطب مخالف یا غیرهمنام یکدیگر را جذب و دو قطب مشابه یا همنام یکدیگر را دفع می کنند عقربه قطب نما به این دلیل رو به شمال می ایستد که زمین شبیه یک آهنربا عمل می کند بطوریکه قطب شمال جغرافیایی زمین به قطب جنوب مغناطیسی آن بسیار نزدیک است.محور مغناطیسی زمین کاملا موازی محور جغرافیایی(محور چرخش) آن نیست لذا عقربه قطب نما از امتداد (شمال-جنوب) جغرافیایی انحرافی دارد که از نقطه ای به نقطه ای دیگر تغییر می کند و زاویه انحراف مغناطیسی نامیده می شود. همچنین امتداد شمال-جنوب مغناطیسی افقی نیست و با سطح افق زاویه ای می سازد که آن را زاویه میل مغناطیسی می نامند.
قطب های مغناطیسی همواره به صورت جفت ظاهر می شوند.
در سال 1819 هانس کریستین اورستد دانشمند دانمارکی کشف کرد که وقتی عقربه قطب نما در مجاور سیم حامل جریان قرار می گیرد منحرف می شود. تحقیقات مشابه توسط آندره آمپر در فرانسه صورت گرفت و چند سال بعد مایکل فاراد در انگلستان و جوزف هانری در امریکا کشف کرد که حرکت دادن آهنربا در مجاور یک حاقه رسانا باعث پیدایش جریان الکتریکی در حلقه می شود و نیز عبور جریان الکتریکی متغیر از یک حلقه باعث پیدایش جریان الکتریکی در حلقه دیگر می شود که در مجاورت حلقه اول قرار دارد اینها نخستسن ارتباط میان جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی را نشان داد که منجر به معادلات ماکسول شد که همچون معادلات نیوتن در مکانیک اصول قوانین الکترومغناطیسی بشمار می آیند.
زمانی که بار مثبت نقطه ای با سرعت V از محلی شروع به حرکت می کند در صورتی که نیروی منحرف کننده F بر آن اثر کند در اطراف بار القای مغناطیسی B وجود دارد که مقدار آن از رابطه :
F=qV×B یا F=qVBsin
به دست می آید که در آن   زاویه بین V و B است.
میدان مغناطیسی را با خطوطی فرضی بنام خطوط القا نمایش می دهیم به طوری که در هر نقطه امتداد B بر خطوط القا مماس است و مقدار مطلق بردار B در هر نقطه با تعداد خطوط القایی که از واحد سطح عمود بر امتداد این خطوط عبور می کنند متناسب است. کل خطوط القا که از یک سطح دلخواه عبور می کند شار مغناطیسی نامیده می شود.

اگر B یکنواخت باشد:
 

که  زاویه بین خط عمود بر سطح با امتداد B است.
بنابر قانون فارادی، تغییر شار  باعث ایجاد جریان القایی می شود این تغییر شار را می توان یک مغناطیس یا یک مدار بسته حامل جریان بوجود آورد.
نیروی محرکه القایی e در یک مدار با تغییر شار مغناطیسی متناسب است:

بر طبق قانون لنز جهت جریان القایی بگونه ای است که همواره بوسیله آثار الکترومغناطیسی که ایجاد می کند با عامل به وجودآورنده جریان مخالفت می کند. در واقع جهت جریان القایی بگونه ای است که با شار مغناطیسی که به وجود می آورد، تغییر شار مغناطیسی تولید کننده خودش را خنثی می کند.
علامت منفی در رابطه بالا به دلیل قانون لنز ظاهر می شود.
به منظور ایجاد جریان القایی باید   یا B  یا s و یا  تغییر کند.
علاوه بر بردار القایی B که نیروی میدان مغناطیس بر بار متحرک را مشخص می کند بردار دیگری به نام بردار شدت میدان مغناطیسی به شکل زیر تعریف می شود.
القای مغناطیسی در خلاء/ثابت تراوایی مغناطیسی=

شدت میدان در داخل حلقه ها متناسب است با شدت جریانی که آن را بوجود آورده است و از طرفی شار مغناطیسی با شدت میدان متناسب است لذا:
 =LT
در سیم پیچ بر اثر تغییر شار مغناطیسی نیروی محرکه خودالقایی بوجود می آید:

که این مفهوم دینامیکی I است در عمل جریان خود القایی عموما در زمان قطع و وصل جریان در مدار های الکتریکی بوجود می آید(L را ضریب خودالقایی می گویند و واحد آن هانری است).
منظور از آزمایش: بررسی آزمایش ارستد، فارادی، قانون دست راست آمپر،قانون لنز، در مورد جریان های القایی و خود القایی. 
توجه:در اجرای آزمایش های زیر بیشتر جنبه ی مشاهده ای تا انرازه گیری و بدست آوردن عدد مورد توجه است.
روش اجرای آزمایش:
الف) تعیین قطب های یک قطب نما بعنوان یک ابزار اندازه گیری ساده مغناطیسی: عقربه قطب نما یک مغناطیس دائمی کوچک است که در بیشتر آزمایش های این بخش به صورت یک ابزار اندازه گیری مورد استفاده قرار خواهد گرفت لذا در مرحله نخست باید قطب های شمال و جنوب مغناطیسی آن را تعیین کند به این منظور قطب نمایی را که در اختیار دارید به صورت افقی در دست قرار دهید و با توجه به مقدمه این بخش و جهت های شمال و جنوب جغرافیایی که در محل آزمایش از آنها اطلاع دارید قطب N و S قطب نما را تعیین کنید.
ب) تحقیق قانون دست راست آمپر و بررسی آزمایش ارستد: می خواهیم بررسی کنیم که آیا در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی بوجود می آید لذا سیم دو سر فیش را به قطب های مثبت و منفی منبع تغذیه DC وصل کرده و عقربه مغناطیسی را که در اختیار دارید مطابق حالت های مختلف شکل زیر قرار داده و نتیجه هر حالت آنچه را که مشاهده می کنید یادداشت کنید.

 

توجه داشته باشید که تعریف قانون دست راست آمپر به شرح زیر است:
اگر از یک سیم جریانی عبور کند و در اطراف سیم میدان مغناطیسی ایجاد می شود بنا به تعریف اگر انگشت شصت دست راست را در جهت قراردادی جریان(+ به -) قرار دهیم نوک چهار انگشت نیمه خمیده دست راست در هر نقطه جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده در آن نقطه را نشان می دهد.
ارتباط کارهایی را که انجام داده اید با رابطه زیر تحقیق کنید:

پ)تحقیق قانون فارادی:بر طبق قانون فارادی بوسیله یک میدان مغناطیسی می توان در یک سیم پیچ جریانی القایی ایجاد نمود لذا به کمک سیم پیچ و میلی آمپر متر عقربه ای مداری به شکل زیر تشکیل داده و در هر حالت تغییر عقربه میلی آمپر متر عقربه ای را مشاهده و نتایج را ثبت کنید.

ارتباط کارهایی را که انجام داده اید با رابطه زیر تحقیق کنید.

ت)مشاهده خطوط فلو یا شار مغناطیسی: مداری مطابق شکل زیر به کمک سیم پیچ و منبع DC و صفحه پلاستیکی ایجاد کرده و پس از پاشیدن براده های آهن روی صفحه پلاستیکی و با نگاه داشتن صفحه پلاستیکی و زدن ضربه های متوالی خطوط فلو یا شار و قطب های مغناطیسی را مشاهده کنید.

ث)تعیین قطب های بوجود آمده در سیم پیچ: مدار حالت (ت) را در نظر گرفته پس از جمع آوری صفحه پلاستیکی و براده های آهن به کمک قطب نما قطب های سیم پیچ متصل به منبع تغذیه روشن را تعیین کنید بر طبق قانون عکس دست راست در جهت ورود جریان مثبت به سیم پیچ و جهت پیچیده شدن سیمپیچ باشد نوک انگشت شصت دست راست جهت قطب N را در سیم پیچ نشان خواهد داد. این را تحقیق کنید.
ج) تعیین قطب مجهول آهنربا: مطابق شکل زیر آهنربای تیغه ای را درون کاغذ پیچیده و آن را به داخل سیم متصل به میلی آمپرمتر وارد کنید آیا می توانید از روی جهت حرکت عقربه میلی آمپرمتر، قطبی را که وارد سیم پیچ کرده اید تعیین کنید.

چ) تحقیق رابطه:

مدار های شکل زیر را به ترتیب ایجاد کرده و یک سیم پیچ را به ولت متر دیجیتال و دیگری را به منبع تغذیه AC در حدود چند ولت متصل کرده سپس در هر قسمت وضعیت بوجودآمده را نسبت به رابطه

تحقیق کرده و توضیح دهید.

ح)مشاهده و توضیح پدیده حلقه تامسون:سیم پیچ شکل زیر را به منبع تغذیه AC متصل کرده و رفتار حلقه فلزی را توجیه کنید.

سوال:
مواد از نظر خاصیت مغناطیسی به چند نوع تقسیم می شوند؟ نام ببرید.
نقش اسپین الکترون ها در خواص مغناطیسی مواد چیست؟
کار با ترانسفورماتور
مقدمه:
ترانسفورماتور دستگاهی است که بر اساس علم الکترومغناطیس عمل می کند و به منظور ذخیره انرژی مغناطیسی و یا انتقال انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. ترانسفورماتورها میدان مغناطیسی را در منطقه خاصی محدود و یا باعث افزایش اندازه میدان مغناطیسی می شوند.
ساختمان اصلی ترانسفورماتورها از یک هسته مغناطیسی ساخته شده که به دور آن دو سری سیمپیچ قرار گرفته است این هسته می تواند از جنس مواد پارامغناطیسی یا فرومغناطیسی باشد.
نقش هسته در ترانسفورماتورها حفظ میدان مغناطیسی ناشی از یک سیم پیچ و انتقال آن با حداقل تلفات به سیم پیچ دیگر است.
در ترانسفورماتور سیم پیچی را که به منبع تغذیه متصل است اولیه و سیم پیچ دیگر را ثانویه می نامند.
زمانی که جریان متناوبی به دو سر سیم پیچ اولیه وصل شده شار مغناطیسی متناوبی را ایجاد می کند که از طریق هسته که در لحظه درون آن دوقطبی های میکروسکوپی مغناطیسی متعددی تشکیل شده است که باعث قطع خطوط فلو یا شار مغناطیسی در سیمیچ اولیه و ایجاد یک نیروی محرکه القایی در آن می شود که در هر لحظه در حالت ایده آل با نیروی محرکه اعمالی اولیه معادل است و اندازه آن برابر است با:

که در رابطه بالا e عبارتست از نیروی محرکه القایی(بر حسب ولت)، nP عبارتست از تعداد دور سیم پیچ اولیه، K عبارتست از یک ضریب ثابت(تراوایی مغناطیسی)،(K=1)،

عبارتست از تغیر شار مغناطیسی نسبت به زمان و بر حسب وبر بر ثانیه و علامت (-) ناشی از قانون لنز است. (اگر f بر حسب ماکسول باشد: K=10-8 ) به همین ترتیب در سیم پیچ ثانویه نیروی محرکه القایی بوجود می آید که برابر است با:

با تقسیم دو رابطه بالا به یکدیگر خواهیم داشت:

که رابطه ترانسفورماتورها نامیده می شود.
در حالت ایده آل که درون ترانسفورماتور انرژی مصرف نمی شود و تلفات وجود ندارد لذا:
VPIPcosp=VsIscoss   ,    p=s
بنابراین:
VPIP=VsIsیا به عبارتی:

یعنی نسبت جریان ها در ترانسفورماتورهای ایده آل به نسبت عکس تعداد حلقه ها است.
خصوصیات فیزیکی ترانسفورماتورها:
1-  چنانچه ترانسفورماتور به مصرف کننده ای متصل نباشد یعنی در طرف ثانویه باری موجود نباشد مانند یک سلف با مقاومتظاهری خیلی بزرگ عمل می کند لذا جریانی که این سلف می کشد بسیار اندک خواهد بود.
2-ترانسفورماتورها به طور غیر ایده آل ساخته می شوند لذا راندمان آنها کمتر از 100% و در حالت بسیار خوب در حدود 95% می باشد.
راندمان ترانسفورماتور Eeff=توان خروجی/توان مصرفی=Ps/PP
3-تلفات در ترانسفورماتور از دو قسمت تشکیل می شود:
الف)تلفات ناشی از سیم پیچ(مقاومت سیم ها)
ب)تلفات ناشی از هسته
تلفات هسته آهنی سیم پیچ ها ناشی از: الف-اتلاف هیسترسیز ب-جریان های گردابی فوکو پ- پراکندگی شار یا فلو است.
اگر تعداد دور سیم پیچ ثانویه کمتر از اولیه باشد چون ولتاژ کاهش می یابد لذا ترانسفورماتور را کاهنده می نامند و در صورتیکه سیم پیچ ثانویه تعداد دوری بیش از اولیه داشته باشد آن را افزاینده می نامند.
ترانسفورماتور ها در پست های انتقال نیرو، خطوط بار، دستگاه های جوشکاری، و ابزار برقی دیگر استفاده می شود.
  روش آزمایش:
مطابق شکل زیر مدار ترانسفورماتور را بسته و در حالت های نشان داده شده در جدول ولتاژ اولیه را در حدود 3 تا 4 ولت تنظیم و ولتاژ ثانویه را در حالت های مختلف بدست آورده و در جدول نوشته و از آن نتیجه گیری نمایید.

 
تعداد دور سیم پیچ VP Vs
n1=n2    
n1>n2    
n1<n2    
پرسش:
پسماند یعنی چه؟
جریان های گردابی فوکو یعنی چه؟
چرا هسته های ترانسفورماتور به صورت ورقه ورقه ساخته می شود؟
منحنی هیسترسیز چیست؟ 



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید