Παρουσίαση του PowerPoint - TEIWM · ιαφοροποίηση ενός Μαγνη...

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΕνότητα 8: Μαγνητισμός - Ηλεκτρομαγνητισμός

Καθηγητής Πουλάκης Νικόλαος

ΤΕΙ Δ. ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

2

Χρηματοδότηση• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3

Σκοποί ενότητας

• Να εξηγήσουμε τις αρχές του μαγνητικού πεδίου.

• Να εξηγήσουμε τις αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού.

• Να περιγράψουμε την αρχή λειτουργίας διαφόρων τύπων ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων.

• Να εξηγήσουμε τη μαγνητική υστέρηση.

• Να συζητήσουμε την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

• Να περιγράψουμε μερικές εφαρμογές της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

4

Περιεχόμενα ενότητας

• Το Μαγνητικό Πεδίο.

• Ηλεκτρομαγνητισμός.

• Ηλεκτρομαγνητικές Διατάξεις.

• Μαγνητική Υστέρηση.

• Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή.

• Εφαρμογές της Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής.

5

Το Μαγνητικό Πεδίο(The Magnetic Field) (1/2)

• Ένας μόνιμος μαγνήτης έχει ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του.

• Ένα μαγνητικό πεδίο το φανταζόμαστε να αποτελείται από δυναμικές γραμμές (lines of force)οι οποίες εκπέμπονται από το βόρειο πόλο (north pole, Ν) προς το νότιο πόλο (south pole, S) και κλείνουν πάλι πίσω στον βόρειο πόλο περνώντας μέσα από το μαγνητικό υλικό (ΕΙΚΟΝΑ 7-1).

6

Το Μαγνητικό Πεδίο(The Magnetic Field) (2/2)

• ΕΙΚΟΝΑ 7-1 Μαγνητικές δυναμικές γραμμές γύρω από μια ράβδο μαγνήτη.

Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

7

Έλξη και Άπωση (Attraction and Repulsion) (1/2)• Ανόμοιοι μαγνητικοί πόλοι έχουν μια

ελκτική δύναμη μεταξύ τους.

• Δυο όμοιοι πόλοι απωθούνται μεταξύ τους (ΕΙΚΟΝΑ 7-2).

8

Έλξη και Άπωση (Attraction and Repulsion) (2/2)• ΕΙΚΟΝΑ 7-2 Μαγνητική έλξη και άπωση.


9

Διαφοροποίηση ενός Μαγνητικού Πεδίου (1/2)

• Όταν μη μαγνητικά υλικά, όπως χαρτί, γυαλί, ξύλο ή πλαστικό, τοποθετούνται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι δυναμικές γραμμές του πεδίου μένουν αναλλοίωτες.

• Όταν, όμως, ένα μαγνητικό υλικό, όπως ο σίδηρος, τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι δυναμικές γραμμές του πεδίου τείνουν να αλλάξουν για να περάσουν μέσα από το μαγνητικό υλικό (ΕΙΚΟΝΑ 7-3).

10

Διαφοροποίηση ενός Μαγνητικού Πεδίου (2/2)

• ΕΙΚΟΝΑ 7-3 Η επίδραση (α) ενός μη μαγνητικού υλικού και (β) ενός μαγνητικού υλικού σε ένα μαγνητικό πεδίο.


11

Μαγνητική Ροή(Magnetic Flux)

• Το πλήθος των δυναμικών γραμμών που πηγαίνουν από το βόρειο πόλο στο νότιο πόλο ενός μαγνήτη ονομάζονται μαγνητική ροή ().

• Η μονάδα της μαγνητικής ροής είναι το weber (Wb). Ένα weber ισούται με 108 μαγνητικές δυναμικές γραμμές.

• Το weber είναι μια πολύ μεγάλη μονάδα, έτσι, σε πιο πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιείται το microweber(μWb = 10-6 Wb). Ένα microweber ισούται με 100 γραμμές μαγνητικής ροής.

12

Πυκνότητα Μαγνητικής Ροής(Magnetic Flux Density)

• Η πυκνότητα μαγνητικής ροής (B) είναι η ποσότητα μαγνητικής ροής ανά μονάδα επιφάνειας κάθετα στο μαγνητικό πεδίο .

όπου, φ είναι η μαγνητική ροή και Α είναι το εμβαδόν της διατομής σε τετραγωνικά μέτρα (m2) του μαγνητικού πεδίου .

• Μονάδα πυκνότητας μαγνητικής ροής είναι το tesla (T). Ένα tesla ισούται με ένα weber ανά τετραγωνικό μέτρο (Wb/m2).

• Παρότι το tesla είναι η SI μονάδα πυκνότητας μαγνητικής ροής, μιαάλλη μονάδα χρησιμοποιείται αρκετές φορές, το Gauss (1 T = 104

Gauss).

13

Α

φB

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7-1

Βρείτε την πυκνότητα ροής σε ένα μαγνητικό πεδίο στο οποίο η ροή μέσα από 0.1 m2 είναι 800 μWb.

Λύση

14

mT8μT8000m0.1

μWb800

Α

φB

2

Πως Μαγνητίζονται τα Υλικά (1/2)

• Τα σιδηρομαγνητικά υλικά (ferromagnetic materials), όπως ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο και τα κράματά τους, μαγνητίζονται, δηλαδή γίνονται τα ίδια μαγνήτες, όταν τοποθετηθούν μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο.

• Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν μικροσκοπικές μαγνητικές περιοχές (magnetic domains)προσανατολισμένες τυχαία (εικόνα (α)). Κάθε μια μαγνητική περιοχή είναι ένας μικροσκοπικός ραβδόμορφος μαγνήτης με βόρειο και νότιο πόλο.

15

Πως Μαγνητίζονται τα Υλικά (2/2)

• Όταν τοποθετηθούν μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι περιοχές αυτές ευθυγραμμίζονται (εικόνα (β)). Έτσι, ολόκληρο το σιδηρομαγνητικό σώμα γίνεται πρακτικά ένας μεγάλος μαγνήτης με το βόρειο (Ν) και το νότιο (S) πόλο.


16

Μια Εφαρμογή των Μόνιμων Μαγνητών: Μαγνητικοί

Διακόπτες (1/3)


17


Διακόπτες (2/3)•Η παραπάνω εικόνα, δείχνει έναν συνηθισμένο

μαγνητικό διακόπτη.

•Όταν ο μαγνήτης (Magnet) είναι κοντά στον μηχανισμό του μαγνητικού διακόπτη, ο μεταλλικός βραχίονας του διακόπτη κρατιέται στην κανονική, κλειστή του θέση (εικόνα (α)).

•Όταν ο μαγνήτης απομακρυνθεί, το ελατήριο τραβάει επάνω τον βραχίονα, διακόπτοντας την επαφή (εικόνα (β)).

18


Διακόπτες (3/3)• ΕΙΚΟΝΑ 7-4 Σύνδεση ενός συνηθισμένου περιμετρικού

συστήματος συναγερμού με μαγνητικούς διακόπτες.


19

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΤο Μαγνητικό Πεδίο

Το εμβαδόν της διατομής ενός μαγνητικού πεδίου αυξάνει, αλλά η ροή παραμένει η ίδια. Η πυκνότητα ροής αυξάνει ή μειώνεται;

• Απ.: Εφ’ όσον Β = /Α, όταν το Α αυξάνει το Β μειώνεται

Σε ένα μαγνητικό πεδίο, το εμβαδόν της διατομής είναι 0.5 m2 και η ροή είναι 1500 μWb. Πόση είναι η πυκνότητα μαγνητικής ροής;

• Απ.: Β = 3 mT

Πόση είναι η μαγνητική ροή σε ένα μαγνητικό υλικό όταν η πυκνότητα ροής είναι 2500 μT και το εμβαδόν της διατομής του υλικού είναι 150 cm2;

• Απ.: = 37.5 μWb

20

Ηλεκτρομαγνητισμός(Electromagnetism)

• Ηλεκτρομαγνητισμός είναι η παραγωγή ενός μαγνητικού πεδίου από το ρεύμα που διαρρέει έναν αγωγό.

• Η λειτουργία πολλών τύπων χρήσιμων και διαδεδομένων συσκευών, όπως ηλεκτρικοί κινητήρες, μεγάφωνα, μαγνητόφωνα, σωληνοειδή και ηλεκτρονόμοι (ρελέ), βασίζονται στον ηλεκτρομαγνητισμό.

21

Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο(Electromagnetic Field) (1/2)

• Όταν περνάει ρεύμα μέσα από έναν αγωγό, γύρω από τον αγωγό παράγεται μαγνητικό πεδίο, που ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

• Οι αόρατες δυναμικές γραμμές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σχηματίζουν ένα συγκεντρικό κυκλικό σχέδιο γύρω από τον αγωγό σε όλο το μήκος του.

• Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο κοντά στον αγωγό.


22

Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο(Electromagnetic Field) (2/2)

• ΕΙΚΟΝΑ 7-5 Διάφοροι τρόποι για να γίνει ορατό το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο:(α) με ρινίσματα σιδήρου (iron filings) και (β) με πυξίδα(compass).


23

Η Διεύθυνση των Δυναμικών Γραμμών

• Η διεύθυνση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών που περιβάλλουν έναν αγωγό εξαρτάται από τη διεύθυνση της ροής του ρεύματος στον αγωγό. Όταν αντιστραφεί το ρεύμα που διαρρέει τον αγωγό, αντιστρέφεται και η φορά των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου που δημιουργεί.


24

Ο Κανόνας του Αριστερού Χεριού (1/2)

• Για να βρούμε τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών, χρησιμοποιούμε τον κανόνα του αριστερού χεριού (ΠΡΟΣΟΧΗ: Θεωρούμε την πραγματική φορά του ρεύματος).

• Αν πιάσουμε τον αγωγό με το αριστερό χέρι, με τον αντίχειρα να δείχνει προς την κατεύθυνση του ρεύματος, τα δάκτυλα του αριστερού χεριού δείχνουν στην κατεύθυνση στων μαγνητικών δυναμικών γραμμών (ΕΙΚΟΝΑ 7-6).

25

Ο Κανόνας του Αριστερού Χεριού (2/2)

ΕΙΚΟΝΑ 7-6 Παράδειγμα του κανόνα του αριστερού χεριού. Υπενθυμίζεται ότι τα βέλη στον αγωγό δείχνουν την πραγματική φορά του ρεύματος, δηλαδή από τον αρνητικό πόλο της πηγής προς τον θετικό πόλο.


26

Διαπερατότητα(Permeability)

• Η διαπερατότητα () εκφράζει την ευκολία με την οποία αποκαθίσταται το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό ενός υλικού. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαπερατότητα ενός υλικού, τόσο ευκολότερα περνάει το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του υλικού

• Η διαπερατότητα του κενού χρησιμοποιείται σαν αναφορά, συμβολίζεται με μ0 και ισούται με 4 10-7 Wb/At·m(weber/ampere-turn·meter).

μ0 = 4 10-7 Wb/At·m

• Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν συνήθως διαπερατότητα εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από του κενού γεγονός που δείχνει ότι το μαγνητικό πεδίο σε αυτά περνά και αποκαθίσταται με σχετική ευκολία.

27

Σχετική Διαπερατότητα(Relative Permeability)

Η σχετική διαπερατότητα (r) ενός υλικού είναι ο λόγος της διαπερατότητας (μ) του υλικού προς τη διαπερατότητα του κενού (μ0). Επειδή είναι λόγος, η σχετική διαπερατότητα δεν έχει μονάδες.

28

0

rμ

μμ

Μαγνητική Αντίσταση(Reluctance) (1/2)

• Μαγνητική αντίσταση () ενός υλικού ονομάζουμε τη δυσκολία που παρουσιάζει το υλικό στην είσοδο του μαγνητικού πεδίου σε αυτό .

• Η τιμή της μαγνητικής αντίστασης είναι ανάλογη προς το μήκος (l) του μαγνητικού δρόμου που κάνουν οι μαγνητικές γραμμές μέσα στο υλικό και αντιστρόφως ανάλογη προς τη διαπερατότητα (μ) και το εμβαδόν της διατομής του υλικού.

29

A

l

μ

Μαγνητική Αντίσταση(Reluctance) (2/2)

• Η μαγνητική αντίσταση στα μαγνητικά κυκλώματα είναι ανάλογη προς την αντίσταση στα ηλεκτρικά κυκλώματα (R = l/σ·Α).

• Η μονάδα της μαγνητικής αντίστασης προκύπτει από τον τύπο.

30

Wb

At

2

2

mmWb/At

m

A

l

μ


• Ποια είναι η μαγνητική αντίσταση ενός υλικού το οποίο έχει μήκος 5 cm, διατομή εμβαδού 0.012 m2 και διαπερατότητα 3500 μWb/At·m;

Λύση

31

WbAt1190

26 m0.012mWb/At103500

m0.05

Αμ

l

Μαγνητεγερτική Δύναμη (ΜΕΔ) (Magnetomotive Force, mmf)

• Το ρεύμα σε έναν αγωγό παράγει ένα μαγνητικό πεδίο (ηλεκτρομαγνητικό πεδίο). Μπορούμε να θεωρήσουμε, επομένως, ότι το ηλεκτρικό ρεύμα αποτελεί τη δύναμη που παράγει το μαγνητικό πεδίο και ονομάζεται μαγνητεγερτικήδύναμη (Fm).

• Η μαγνητεγερτική δύναμη (Fm) εξαρτάται από τον αριθμό των σπειρών (N) του σύρματος και από το ρεύμα (I) μέσα από το σύρμα.

Fm = N·I

• Η μονάδα της μαγνητεγερτικής δύναμης είναι η αμπεροστροφή(ampere-turn, At).

32

Το Μαγνητικό Κύκλωμα

• Η Εικόνα 7-7 δείχνει ότι ένας αριθμός σπειρών σύρματος, που φέρει ρεύμα, γύρω από ένα μαγνητικό υλικό δημιουργεί μια δύναμη η οποία αποκαθιστά γραμμές μαγνητικής ροής μέσα από το μαγνητικό υλικό. Η κλειστή αυτή διαδρομή των δυναμικών γραμμών αποτελεί το μαγνητικό κύκλωμα.


33

Ο Νόμος του Ohm για τα Μαγνητικά Κυκλώματα

• Η ποσότητα της μαγνητικής ροής είναι ανάλογη της μαγνητεγερτικής δύναμης και αντιστρόφως ανάλογη της μαγνητικής αντίστασης.

• Η παραπάνω εξίσωση είναι γνωστή σαν ο νόμος του Ohm για τα μαγνητικά κυκλώματα, διότι είναι ανάλογη του νόμου του Ohm για τα ηλεκτρικά κυκλώματα, Ι = V/R, όπου η ροή ( ) είναι ανάλογη του ρεύματος, η μαγνητεγερτική δύναμη (Fm)ανάλογη της τάσης και η μαγνητική αντίσταση ανάλογη της ηλεκτρικής αντίστασης.

34

mFφ

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7-3 (1/2)

Πόση μαγνητική ροή αποκαθίσταται μέσα στο δακτύλιο της παρακάτω εικόνας αν η μαγνητική αντίσταση του υλικού είναι 0.28 105 At·m/Wb; (Οι πέντε σπείρες του σύρματος είναι ένας μικρός αριθμός για πραγματικές εφαρμογές και χρησιμοποιείται εδώ μόνο για λόγους επίδειξης).


35

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7-3 (2/2)

Λύση

36

μWb536 Wb1036.5

At/Wb10280.

A3t5 4

5

INFm


Υπάρχουν δύο amperes ρεύματος μέσα από ένα σύρμα με 5 σπείρες.

• Πόση είναι η ΜΕΔ;

• Πόση είναι η μαγνητική αντίσταση του κυκλώματος αν η ροή είναι 250 μWb;

Λύση Ν = 5 και Ι = 2 Α

Fm = N·I = (5 t)(2 A) = 10 At

37

At/Wb104.0 4 At/Wb1004.0

Wb250

At10 6

μφ

mF

Ο Ηλεκτρομαγνήτης(Electromagnet) (1/2)

• Ένας ηλεκτρομαγνήτης είναι ένα πηνίο από σύρμα τυλιγμένο γύρω από έναν πυρήνα από υλικό το οποίο μπορεί εύκολα να μαγνητιστεί (ΕΙΚΟΝΑ 7-8).

• Οι πόλοι του ηλεκτρομαγνήτη εξαρτώνται από τη διεύθυνση του ρεύματος στο πηνίο.

38

Ο Ηλεκτρομαγνήτης(Electromagnet) (2/2)

• ΕΙΚΟΝΑ 7-8 Παράδειγμα ενός ηλεκτρομαγνήτη με πυρήνα σε σχήμα U. Αν το πηνίο του σύρματος συνδεθεί με μια πηγή και υπάρχει ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο αποκαθίσταται, όπως στην εικόνα (α)Όταν το ρεύμα στο πηνίο αντιστραφεί, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αντιστρέφεται, όπως φαίνεται στην εικόνα (β).


39

Παραδείγματα Εφαρμογών του Ηλεκτρομαγνητισμού (1/16)

Βασικές εφαρμογές του ηλεκτρομαγνητισμού σε συσκευές της καθημερινής ζωής είναι:

• Η κεφαλή εγγραφής και ανάγνωσης των μαγνητικώνδίσκων και ταινιών.

• Ο μαγνητo-οπτικός δίσκος (CD-DVD).

• Ο μετασχηματιστής (μελετάται διεξοδικά στο μάθημα της ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ ΙΙ).

• Το σωληνοειδές.

• Η ηλεκτρονόμος (relay).

• Το μεγάφωνο.

40


ΕΙΚΟΝΑ 7-9 Κεφαλή εγγραφής και ανάγνωσης μαγνητικών δίσκων και ταινιών.

Εικόνα (α): Στο διάκενο της κεφαλής εγγραφής, η μαγνητική ροή περνά μέσα από τη μαγνητική ταινία και μαγνητίζει ένα μικρό σημείο (spot). Ανάλογα με τη φορά του παλμού εισόδου, το σημείο μαγνητίζεται προς τα πάνω ή προς τα κάτω (0 και 1, αντίστοιχα).

Εικόνα (β): Όταν η μαγνητική ταινία περνά κάτω από την κεφαλή ανάγνωσης, τα μαγνητισμένα σημεία προκαλούν μαγνητικά πεδία τα οποία επάγουν παλμούς τάσης εξόδου στο πηνίο.

41



42



43


ΕΙΚΟΝΑ 7-9 Μαγνητο-οπτικός δίσκος (DC-DVD). Η βασική του λειτουργία.

Άγραφος δίσκος: Οι μικροσκοπικές μαγνητικές περιοχές είναι όλες προσανατολισμένες στην ίδια κατεύθυνση (δυαδικό 0).

Εγγραφή: Μια δέσμη laser μεγάλης ισχύος θερμαίνει ένα σημείο του δίσκου αναγκάζοντας τα μαγνητικά σωματίδια να ευθυγραμμιστούν με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο προς τα κάτω (δυαδικό 1).

44



45


ΕΙΚΟΝΑ 7-9 (συνέχεια) Μαγνητο-οπτικός δίσκος (DC-DVD). Η βασική του λειτουργία.

Ανάγνωση: Ο ηλεκτρομαγνήτης είναι σβηστός. Μια δέσμη laser χαμηλής ισχύος ανακλάται από το ανάστροφα μαγνητισμένο σημείο (δυαδικό 1) και η πόλωσή της αλλάζει. Αν το σημείο δεν είναι ανεστραμμένο (δυαδικό 0) η πόλωση της ανακλώμενης δέσμης δεν αλλάζει.

Σβήσιμο: Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αντιστρέφεται (προς τα πάνω) καθώς η δέσμη laser υψηλής ισχύος θερμαίνει το σημείο κάνοντας τη μαγνήτιση του να αποκατασταθεί στην αρχική της διεύθυνση προς τα πάνω (δυαδικό 0).

46


EIKONA 7-10 Το σωληνοειδές (solenoid).


47



48


EIKONA 7-11 Η βασική λειτουργία του σωληνοειδούς.


49


• Στην ενεργοποιημένη κατάσταση, όταν ρεύμα περνά μέσα από το πηνίο, το ρεύμα δημιουργεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο μαγνητίζει ομόρροπα και τα δύο τμήματα του πυρήνα. Ο νότιος πόλος (S) του σταθερού πυρήνα έλκει το βόρειο πόλο (Ν) του εμβόλου, κάνοντας το έμβολο να τραβηχτεί προς τα μέσα.

• Το σωληνοειδές χρησιμοποιείται για άνοιγμα/κλείσιμο βαλβίδων και στις ηλεκτρομαγνητικές κλειδαριές των αυτοκινήτων.


50


ΕΙΚΟΝΑ 7-12 Η βασική δομή ενός SPDT (απλού πόλου-διπλής επαφής)ηλεκτρονόμου (relay).

Οι ηλεκτρονόμοι διαφέρουν από τα σωληνοειδή στο ότι η ηλεκτρομαγνητική δράση χρησιμοποιείται για ανοίγει και να κλείνει ηλεκτρικές επαφές και όχι για μηχανική κίνηση.Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric

Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

51


ΕΙΚΟΝΑ 7-13 Η μορφή και το σύμβολο ενός συνηθισμένου ηλεκτρονόμου.


52


ΕΙΚΟΝΑ 7-14 Ηλεκτρονόμος reed (reed relay). Η βασική του δομή.


53


FIGURE 7-15 Το μεγάφωνο. Η βασική του λειτουργία. Η κίνηση του μεγαφώνου είναι μεγαλοποιημένη για να δειχθεί η αρχή λειτουργίας.


54


ΕΙΚΟΝΑ 7-16 Η τυπική μορφή ενός μεγαφώνου και σχηματική παράσταση του τρόπου που παράγει ήχο.


55

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΗλεκτρομαγνητισμός

Τι συμβαίνει στη βελόνα της πυξίδας της Εικόνας 7-5 όταν το ρεύμα μέσα από τον αγωγό αντιστρέφεται;

Πόση είναι η σχετική διαπερατότητα ενός σιδηρομαγνητικού υλικού του οποίου η απόλυτη διαπερατότητα είναι 750 10-6 Wb/At·m;

• Απ.: r = 597.

Προσδιορίστε τη μαγνητική αντίσταση ενός υλικού με μήκος 0.28 m και ένα εμβαδόν διατομής 0.06 m2 αν η διαπερατότητά του είναι 150 10-7

Wb/At·m.

• Απ.: 311 103 At/Wb.

Υπολογίστε την ΜΕΔ ενός πηνίου 500 σπειρών σύρματος με ρεύμα 3 Α.

• Απ.: 1500 At.

56

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΠαραδείγματα Εφαρμογών Ηλεκτρομαγνητισμού (1/2)

Τυπικά, όταν ένα σωληνοειδές είναι ενεργοποιημένο, το έμβολο είναι σε έκταση ή μαζεμένο;

Ποια δύναμη κινεί το έμβολο όταν το σωληνοειδές είναι ενεργοποιημένο;

Ποια δύναμη κάνει το έμβολο να επιστρέψει στη θέση ηρεμίας του;

• Απ.: Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη.

Η δύναμη του ελατηρίου.

57

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΠαραδείγματα Εφαρμογών Ηλεκτρομαγνητισμού (2/2)

Εξηγήστε την ακολουθία των γεγονότων στο κύκλωμα της παρακάτω εικόνας αρχίζοντας όταν ο διακόπτης 1 (SW 1) είναι κλειστός.


58

Δύναμη Μαγνήτισης (Η)(Magnetizing Force) (1/2)

• Η δύναμη μαγνήτισης ενός υλικού ορίζεται σαν η ΜΕΔ (Fm) ανά μονάδα μήκους (l) του υλικού.

• Η δύναμη μαγνήτισης εξαρτάται από τον αριθμό των σπειρών (Ν) του πηνίου, την ένταση του ρεύματος (Ι) στο πηνίο και το μήκος (l) του υλικού. Η δύναμη μαγνήτισης δεν εξαρτάται από τον τύπο του υλικού, δηλαδή, τη διαπερατότητα () του υλικού.

• Η καμπύλη που δείχνει πως συνδέεται η πυκνότητα μαγνητικής ροής (Β) μέσα στο υλικό με τη δύναμη μαγνήτισης (Η) του υλικού ονομάζεται καμπύλη Β-Η ή καμπύλη υστέρησης (hysteresis curve).

59

l

IN

l

FH m

Δύναμη Μαγνήτισης (Η)(Magnetizing Force) (2/2)

ΕΙΚΟΝΑ 7-17 Παράμετροι από τους οποίους εξαρτώνται η δύναμη μαγνήτισης (H) και η πυκνότητα μαγνητικής ροής (B).


60

Μαγνητική Υστέρηση(Magnetic Hysteresis) (1/8)

• Υστέρηση είναι η χαρακτηριστική ιδιότητα ενός μαγνητικού υλικού κατά την οποία η αλλαγή στη μαγνήτιση (και, επομένως, στην πυκνότητα μαγνητικής ροής Β ) υστερεί (καθυστερεί) ως προς τη μεταβολή της εφαρμοζόμενης δύναμης μαγνήτισης Η στο υλικό.

• Όλα τα μαγνητικά υλικά παρουσιάζουν μικρή ή μεγάλη υστέρηση.

61


FIGURE 7-18 Ανάπτυξη της καμπύλης μαγνητικής υστέρησης.

• Υποθέτουμε ότι το μαγνητικό υλικό είναι αρχικά μη-μαγνητισμένο, οπότε Β = 0.

• Καθώς η δύναμη μαγνήτισης (Η) αυξάνει από το μηδέν, η πυκνότητα ροής (Β) αυξάνει ανάλογα.


62


Όταν η Η φτάσει μια ορισμένη τιμή (Ηsat), η Βφτάνει την τιμή κορεσμού (saturation), Βsat. Όταν φτάσει στην τιμή κορεσμού, η Βπαύει να αυξάνει, όσο και να αυξηθεί το Η περαιτέρω. Το φαινόμενο αυτό λέγεται κορεσμός (saturation).Πηγή: PowerPoint Transparencies

(ISBN 0-13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

63


Aν το Η μειωθεί στο μηδέν, η Β, ακολουθώντας διαφορετικό δρόμο, θα πέσει σε μια παραμένουσα τιμή (ΒR). Αυτό δείχνει ότι το υλικό συνεχίζει να είναι μαγνητισμένο ακόμη και με μηδενισμένη τη δύναμη μαγνήτισης (H = 0).

Η δυνατότητα ενός υλικού, άπαξ και μαγνητιστεί, να παραμένει μαγνητισμένο ακόμη και μετά την απομάκρυνση της εξωτερικής δύναμης μαγνήτισης ονομάζεται παραμένουσα μαγνήτιση (retentivity).Η παραμένουσα μαγνήτιση ενός υλικού μετριέται από το λόγο BR/Bsat.Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-13-111275-9)

accompanying T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

64


Αντιστροφή της δύναμης μαγνήτισης Η σε αρνητικές τιμές επιτυγχάνεται με αντιστροφή του ρεύματος στο πηνίο. Μια αύξηση της Η στην αρνητική διεύθυνση προκαλεί κορεσμό στην αντίθετη διεύθυνση σε μια τιμή (-Ηsat).Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-

13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

65


Όταν η δύναμη μαγνήτισης μηδενίζεται (Η = 0), η πυκνότητα ροής πηγαίνει στην αρνητική παραμένουσα τιμή της (ΒR).Πηγή: PowerPoint Transparencies

(ISBN 0-13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

66


Από την τιμή –ΒR, η πυκνότητα ροής ακολουθεί την καμπύλη που φαίνεται παραπάνω πίσω στη μέγιστη θετική τιμή κορεσμού της Bsat όταν η δύναμη μαγνήτισης γίνει Ηsat

στη θετική κατεύθυνση.


67


Στην παραπάνω εικόνα, φαίνεται η πλήρης καμπύλης Β-Η και ονομάζεται καμπύλη υστέρησης(hysteresis curve)

H δύναμη μαγνήτισης που απαιτείται για να να μηδενίσει τη πυκνότητα ροής ονομάζεται απομαγνητίζουσα δύναμη ή συνεκτικό πεδίο (coercive force) HC.Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-13-

111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

68

Η Παραμένουσα Μαγνήτιση των Υλικών

(Materials Retentivity) (1/2)Μαγνητικά υλικά με χαμηλή παραμένουσα μαγνήτιση δεν διατηρούν εύκολα τη μαγνήτισήτους.Ανάλογα με την εφαρμογή, η παραμένουσα μαγνήτιση σε ένα μαγνητικό υλικό μπορεί να είναι πλεονέκτημα ή μειονέκτημα.

Οι μόνιμοι μαγνήτες και οι μαγνητικοί δίσκοι και ταινίες απαιτούν υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση για να μη χάνουν τη γραμμένη πληροφορίας τους.

69

Η Παραμένουσα Μαγνήτιση των Υλικών

(Materials Retentivity) (2/2)

Μια κεφαλή ανάγνωσης/εγγραφής μαγνητικής ταινίας απαιτεί χαμηλή παραμένουσα μαγνήτιση.

Στους ac κινητήρες, η παραμένουσα μαγνήτιση είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη, διότι το παραμένον πεδίο πρέπει να υπερνικηθεί κάθε φορά που αντιστρέφεται το ρεύμα κατά την περιστροφή του κινητήρα, δαπανώντας έτσι ενέργεια.

70

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΜαγνητική Υστέρηση (1/5)

Ποια είναι η δύναμη μαγνήτισης στο Πρόβλημα 7 αν το μήκος του πυρήνα είναι 0.2 m;

• Απ.: 7500 At/m.

Πως μπορεί να αλλάξει η πυκνότητα ροής στην εικόνα του προβλήματος 13 χωρίς αλλαγή των φυσικών χαρακτηριστικών του πυρήνα;

• Απ.: Αλλάζοντας το ρεύμα.

71


13.Προσδιορίστε, στην παρακάτω εικόνα, τα ακόλουθα μεγέθη:

• Η Β


72


Λύση

73


74


Από τις καμπύλες υστέρησης της παρακάτω εικόνας, προσδιορίστε ποιο υλικό έχει τη μεγαλύτερη παραμένουσα μαγνήτιση.

• Απ.: Το υλικό Α.Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric


75

Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή(Electromagnetic Induction)

(1/2)

• Όταν ένας αγωγός κινείται μέσα σε ένα μαγνητικό, μια τάση αναπτύσσεται στα άκρα του αγωγού.

• Αυτή η αρχή είναι γνωστή σαν ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.

• Όσο γρηγορότερη είναι η σχετική κίνηση, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση που αναπτύσσεται.

76

Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή(Electromagnetic Induction)

(2/2)ΕΙΚΟΝΑ 7-19 Σχετική κίνηση μεταξύ ενός αγωγού και ενός μαγνητικού πεδίου.

Και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις, η σχετική κίνηση προκαλεί μια επαγόμενη τάση (vεπ). Το μικρό γράμμα v δηλώνει τη στιγμιαία τιμή της τάσης.Πηγή: PowerPoint Transparencies (ISBN 0-13-111275-9) accompanying T.L. Floyd, “Electric


77

Η Πολικότητα της ΕπαγώμενηςΤάσης

Η διεύθυνση της κίνησης του σύρματος μέσα στο μαγνητικό πεδίο θα επηρεάσει την πολικότητα της επαγομένης τάσης, όπως δείχνεται στην εικόνα παρακάτω:


78

Επαγόμενο ρεύμα(Induced Current) (1/2)

• Η τάση που επάγεται από τη σχετική κίνηση ενός σύρματος μέσω ενός μαγνητικου πεδίου θα προκαλέσει ένα ρεύμα σε ένα φορτίο που θα συνδεθεί στα άκρα του σύρματος.

• Αυτό το ρεύμα ονομάζεται επαγόμενο ρεύμα(iεπ).

• Η έννοια του επαγόμενου ρεύματος είναι η βάση για τις ηλεκτρικές γεννήτριες.

79

Επαγόμενο ρεύμα(Induced Current) (2/2)

ΕΙΚΟΝΑ 7-20 Το επαγόμενο ρεύμα (iεπ) σε ένα φορτίο καθώς ο αγωγός κινείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο.


80

Δυνάμεις σε Ρευματοφόρο Αγωγό μέσα σε Μαγνητικό

Πεδίο(Κινητήρια Δράση - Motor

Action) (1/2)• Όταν ρεύμα ρέει μέσω ενός σύρματος το οποίο

βρίσκεται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, η διεύθυνση του ρεύματος έχει σαν αποτέλεσμα το μαγνητικό πεδίο να αδυνατίζει στη μια πλευρά και να ενισχύεται στην άλλη πλευρά του αγωγού.

81

Δυνάμεις σε Ρευματοφόρο Αγωγό μέσα σε Μαγνητικό

Πεδίο(Κινητήρια Δράση - Motor

Action) (2/2)


82

Κινητήρια Δράση

• Το αποτέλεσμα της εξασθένησης του πεδίου από τη μια πλευρά του αγωγού και της ενίσχυσης από την άλλη είναι να αναπτύσσεται μια δύναμη στον αγωγό και να τον κινεί.

• Αυτή η δύναμη είναι η βάση για τις ηλεκτρικές γεννήτριες.

83

Ο Νόμος του Faraday(Faraday’s Law) (1/3)

• Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ανακαλύφθηκε από τον Michael Faraday (1831).

• Η τιμή της επαγόμενης τάσης (vεπ) δίνεται από το Νόμο του Faraday, σύμφωνα με τον οποίο, η επαγόμενη τάση σε έναν κλειστό συρμάτινο αγωγό είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσα από την επιφάνεια του αγωγού και ανάλογη του αριθμού των σπειρών του αγωγού.

84

tNvΔ

Δφεπ


ΕΙΚΟΝΑ 7-21 Επίδειξη του νόμου του Faraday στην περίπτωση ενός πηνίου μέσα στο οποίο κινείται ένας μαγνήτης: Η τιμή της επαγόμενης τάσης στο πηνίο είναι ευθέως ανάλογη προς το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσα από το πηνίο.


85


ΕΙΚΟΝΑ 7-22 Επίδειξη του νόμου του Faraday στην περίπτωση ενός πηνίου μέσα στο οποίο κινείται ένας μαγνήτης: Η τιμή της επαγόμενης τάσης είναι ευθέως ανάλογη προς τον αριθμό των σπειρών του πηνίου.


86

Ο Κανόνας του Lenz(Lenz’s Law) (1/2)

• Ο Νόμος του Lenz ορίζει την πολικότητα ή τη διεύθυνση της επαγόμενης τάσης vεπ.

• Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, η πολικότητα της επαγόμενης τάσης που δημιουργείται από τη μεταβολή της μαγνητικής ροής είναι τέτοια που το ρεύμα που δημιουργεί να αντιτίθεται πάντα στη μεταβολή της μαγνητικής ροής.

87

Ο Κανόνας του Lenz(Lenz’s Law) (2/2)

ΕΙΚΟΝΑ 7-23 Παράδειγμα εφαρμογής του κανόνα του Lenz


88

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή

Τι συμβαίνει, σύμφωνα με τον νόμο του Faraday, στην επαγόμενη τάση σε ένα πηνίο αν ο ρυθμός μεταβολής της μαγνητικής ροής διπλασιαστεί;

Η τάση που επάγεται σε ένα ορισμένο πηνίο είναι 100 mV. Ένας αντιστάτης 100 Ω είναι συνδεμένος στους ακροδέκτες του πηνίου. Πόσο είναι το επαγόμενο ρεύμα;

• Απ.: 1 mΑ.

89

Εφαρμογές της Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής

• Δύο από τις πλέον ενδιαφέρουσες εφαρμογές της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι:

• O αισθητήρας θέσης του στροφαλοφόρου άξονα των αυτοκινήτων και

• H γεννήτρια συνεχούς ρεύματος (dc generator).

90

Ο Αισθητήρας Θέσης του Στροφαλοφόρου Άξονα των

Αυτοκινήτων (1/3)• Ο ηλεκτρονικός ελεγκτής του κινητήρα πολλών

αυτοκινήτων χρησιμοποιεί τη θέση του στροφαλοφόρου άξονα για να ρυθμίζει το χρονισμό της ανάφλεξης και μερικές φορές να ρυθμίζει την παροχή καυσίμου.

• Ο αισθητήρας θέσης αποτελείται από έναν ατσάλινο δίσκο με προεξοχές προσαρμοσμένο στην άκρη του στροφαλοφόρου άξονα. Οι προεξοχές αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένες θέσεις του στροφαλοφόρου άξονα.

91


Αυτοκινήτων (2/3)EIKONA 7-24 Ένας αισθητήρας θέσης του στροφαλοφόρου άξονα που παράγει μια μικρή τάση (vεπ) κάθε φορά που μια προεξοχή (tab) περνά μέσα από το διάκενο του μαγνήτη.


92


Αυτοκινήτων (3/3)ΕΙΚΟΝΑ 7-25 Καθώς μια προεξοχή περνά μέσα από το διάκενο του μαγνήτη, το πηνίο αισθάνεται μια μεταβολή στο μαγνητικό πεδίο και μια τάση επάγεται.


93

Η Γεννήτρια Συνεχούς Ρεύματος (dc Generator) (1/5)

• Η γεννήτρια συνεχούς ρεύματος αποτελείται στην απλούστερή της μορφής από ένα απλό συρμάτινο πλαίσιο (loop) που περιστρέφεται μέσα σε ένα μόνιμο μαγνητικό πεδίο.

• Τα άκρα του πλαισίου συνδέονται με τα δύο μισά ενός αγώγιμου μεταλλικού δακτυλιδιού που ονομάζεται εναλλάκτης (commutator).

• Κάθε μισό του αγώγιμου δακτυλιδιού εφάπτεται σε μια σταθερή επαφή που ονομάζεται ψήκτρα (brush) και συνδέει το περιστρεφόμενο πλαίσιο με ένα εξωτερικό κύκλωμα.

94


ΕΙΚΟΝΑ 7-26 Η βασική δομή μιας dc γεννήτριας.


95


ΕΙΚΟΝΑ 7-27 Η βασική λειτουργία της dc γεννήτριας.


96


ΕΙΚΟΝΑ 7-28 Η επαγόμενη τάση στη διάρκεια τριών περιστροφών του συρμάτινου πλαισίου σε μια dc γεννήτρια.


97


ΕΙΚΟΝΑ 7-29 Η επαγόμενη τάση για μια γεννήτρια με δύο πλαίσια κάθετα μεταξύ τους. Υπάρχει πολύ λιγότερη διακύμανση στην επαγόμενη τάση.


98

ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΕφαρμογές της

Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής

• Στην Εικόνα 7-24, γιατί δεν υπάρχει επαγόμενη τάση όταν ο δίσκος δεν περιστρέφεται;

• Εξηγήστε το σκοπό του εναλλάκτη και των ψηκτρών στην Είκόνα 7.26.

99

ΠΙΟ ΣΥΝΘΕΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

Ένας απλός dc κινητήρας με ένα πλαίσιο περιστρέφεται στις 60 rpm. Πόσες φορές το δευτερόλεπτο η τάση εξόδου παίρνει τη μέγιστη τιμή της;

• Απ.: 120 φορές/sec.

Υποθέστε ότι ένα ακόμα συρμάτινο πλαίσιο, σε γωνία 90° ως προς το πρώτο πλαίσιο, προστίθεται στη dc γεννήτρια του Προβλήματος 19. Κάνετε μια γραφική παράσταση της τάσης ως προς το χρόνο για να δείξετε πως φαίνεται η τάση εξόδου. Έστω ότι η μέγιστη τάση είναι 10 V..

100

Βιβλιογραφία

• T.L. Floyd, “Electric Circuits Fundamentals”, 6th ed. Pearson.

101

Παρουσίαση του PowerPoint - TEIWM · ιαφοροποίηση ενός Μαγνη...

Documents

Transcript of Παρουσίαση του PowerPoint - TEIWM · ιαφοροποίηση ενός Μαγνη...