Μαγνητικό πεδίο

Όπως γνωρίζουμε από τον ηλεκτρομαγνητισμό, γύρω από ένα ρευματοφόρο αγωγό δημιουργείται μαγνητικό πεδίο, όπως επίσης και γύρω από ένα μαγνήτη. Τι είναι όμως το μαγνητικό πεδίο; Όπως αποδεικνύεται πειραματικά, μαγνητικό πεδίο είναι ο χώρος στον οποίο όταν ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο εισέρχεται σ΄αυτόν, του ασκείται μαγνητική δύναμη.

Το μαγνητικό πεδίο περιγράφεται ποσοτικά, σε κάθε σημείο του, από το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγή B που ορίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε η δύναμη που δέχεται ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο που κινείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο να έχει μέτρο που δίνεται από τη σχέση: F=qvB και κατεύθυνση κάθετη στην ταχύτητα του φορτίου και στην μαγνητική επαγωγή. Παρατήρηση: όταν η ταχύτητα του εισερχόμενου φορτίου είναι παράλληλη στη μαγνητική επαγωγή, δεν του ασκείται μαγνητική δύναμη.

Το μαγνητικό πεδίο παριστάνεται από τις μαγνητικές δυναμικές γραμμές, στις οποίες η μαγνητική επαγωγή του μαγνητικού πεδίου B είναι εφαπτόμενη σ΄αυτές και το μέτρο της μαγνητικής επαγωγής είναι ανάλογη της πυκνότητας των μαγνητικών γραμμών.

Αποδεικνύεται πειραματικά ότι ένας ρευματοφόρος αγωγός παράγει μαγνητικό πεδίο γύρω του, με τέτοιο τρόπο ώστε, οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου να σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους με τον αγωγό, που αραιώνουν καθώς απομακρυνόμαστε απ’ αυτόν.

Αν πάρουμε ένα αγωγό και τον τυλίξουμε υπό μορφή πηνίου, η μαγνητική επαγωγή του μαγνητικού πεδίου «αθροίζεται» από κάθε τμήμα του αγωγού που αποτελεί το πηνίο. Έτσι σε ένα πυκνά τυλιγμένο σωληνοειδές πηνίο μεγάλου μήκους, οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές είναι παράλληλες γραμμές στο εσωτερικό του (ομογενές μαγνητικό πεδίο) και σχεδόν μηδέν έξω απ’ αυτό.

Μαγνητική ροή μέσα σε ένα πηνίο

Σε ένα πηνίο το οποίο βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, ορίζεται ένα μέγεθος που ονομάζεται μαγνητική ροή η οποία είναι ανάλογη των μαγνητικών γραμμών που διαπερνούν το πηνίο από την επιφάνεια του. Έτσι για ένα πηνίο επιφάνειας S που βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β, που ο άξονας του σχηματίζει γωνία φ με το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου, η μαγνητική ροή που διαπερνά το πηνίο είναι: Φ=ΒSσυνφ.

Τάση εξ’ επαγωγής

Σύμφωνα με τον νόμο του Faraday, όταν η μαγνητική ροή που διέρχεται μέσα από ένα πηνίο μεταβάλλεται, αναπτύσσεται τάση εξ επαγωγής στα άκρα του. Έτσι όταν ένα πηνίο βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, του οποίου η μαγνητική επαγωγή μεταβάλλεται στο εσωτερικό του κατά μέτρο ή διεύθυνση ή και τα δυο συμβαίνει το εξής γεγονός αναπτύσσεται τάση στα άκρα του πηνίου.

Σε αυτή ακριβώς την ιδιότητα βασίζονται οι ηλεκτρογεννήτριες. Ένα συρμάτινο πλαίσιο περιστρέφεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο που παράγει ένας μαγνήτης. Για το λόγο ότι η μαγνητική ροή που διέρχεται από το πλαίσιο μεταβάλλεται, (αφού αλλάζει ο προσανατολισμός του πλαισίου ως προς το μαγνητικό πεδίο) αναπτύσσεται σ’ αυτό τάση εξ’ επαγωγής.

Αυτεπαγωγή

Γνωρίζουμε ότι στο εσωτερικό ενός πηνίου που διαρρέεται από ρεύμα, δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Όταν μεταβάλλεται το ρεύμα στο πηνίο έχει ως αποτέλεσμα να μεταβάλλεται η μαγνητική επαγωγή μέσα σε αυτό, συνεπώς και η μαγνητική ροή που διέρχεται από το εσωτερικό του πηνίου. Έτσι σύμφωνα με το νόμο του Faraday αναπτύσσεται στο ίδιο το πηνίο τάση εξ επαγωγής. Ο κανόνας του Lentz δηλώνει ότι η επαγώμενη τάση στο πηνίο που οφείλεται στη μεταβολή του ρεύματος του ίδιου του πηνίου, έχει τέτοια πολικότητα ώστε να αντιστέκεται στην μεταβολή του ρεύματος που το διαρρέει.

Στο σχήμα ένα πηνίο συνδέεται με μια πηγή τάσης δια μέσου ενός ροοστάτη. Καθώς το ρεύμα στο πηνίο αυξάνει η τάση εξ επαγωγής που αναπτύσσεται στο πηνίο έχει τέτοια πολικότητα που αντιστέκεται στην αύξηση του ρεύματος (η τάση εξ’ επαγωγής μπαίνει “παράλληλα” στην πηγή που προκαλεί το ρεύμα). Καθώς το ρεύμα στο πηνίο μειώνεται η τάση εξ επαγωγής που αναπτύσσεται στο πηνίο είναι τέτοια που τείνει να διατηρήσει το ρεύμα (η τάση εξ’ επαγωγής μπαίνει σε “σειρά” στην πηγή που προκαλεί το ρεύμα).

Δηλαδή η τάση στα άκρα του πηνίου είναι V_L=- L(ΔΙ/Δt) όπου L ο συντελεστής της αυτεπαγωγής του πηνίου και εκφράζει πόσο έντονο είναι αυτό το φαινόμενο.

Μονάδα αυτεπαγωγής είναι το 1Henry. Επειδή είναι μεγάλη μονάδα αυτεπαγωγής χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσια του 1Η όπως το 1mF ( 10^-3F) το 1μΗ ( 10^-6Η) και τo 1nF ( 10^-9H).

Η αυτεπαγωγή είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του πηνίου, που εξαρτάται μόνο από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του και αυξάνεται με 1) Τον αριθμό των σπειρών του πηνίου 2) Τη διάμετρο του πηνίου 3) Με την ύπαρξη σιδηρομαγνητικού υλικού στο εσωτερικό του.

Είδη πηνίων

Τα πηνία διακρίνονται ανάλογα με τη χρήση τους σε πηνία χαμηλών (LF) ή πηνία υψηλών συχνοτήτων (RF) και ανάλογα με την κατασκευή τους σε σωληνοειδή και σε κυψελοειδή πηνία.

Πηνία υψηλών συχνοτήτων RF: Τα συναντούμε στις συσκευές τηλεπικοινωνίας, όπως πομπούς και δέκτες ραδιοφώνου, ασυρμάτου κ.α. Τα βρίσκουμε σε μεγάλη ποικιλία μορφών με ή χωρίς πυρήνα, με μια ή περισσότερες στρώσεις, με απλή ή κυψελοειδή περιέλιξη κλπ.

Τα πηνία RF τα βρίσκουμε: 1)Στα κυκλώματα κεραίας τυλιγμένα γύρω από μια ράβδο φερρίτη που αποτελούν την κεραία του δέκτη (ραδιοφώνου ΑΜ) 2)Στα κυκλώματα ταλαντωτών που σε συνδυασμό ενός μεταβλητού πυκνωτή καθορίζουν την επιθυμητή συχνότητα ταλάντωσης. 3) Στα κυκλώματα ενδιάμεσης συχνότητας, που αποτελούν διατάξεις δυο πηνίων, για χρήση σύζευξης μεταξύ δυο ενισχυτικών βαθμίδων της ενδιάμεσης συχνότητας στους δέκτες.

Πηνία χαμηλών συχνοτήτων: Αυτά τα πηνία χαρακτηρίζονται από τις μεγάλες τιμές αυτεπαγωγής που κυμαίνονται από 0,2Η έως δεκάδες Henry που συναντιόνται σε κυκλώματα χαμηλών συχνοτήτων, εν σχέση με τα πηνία υψηλών συχνοτήτων που η αυτεπαγωγή τους κυμαίνεται από μερικά μΗ έως μερικές δεκάδες mH.

Τα πηνία χαμηλών συχνοτήτων κατασκευάζονται με σιδηροπυρήνα για να πετυχαίνεται η υψηλή τιμή της αυτεπαγωγής. Τα πηνία αυτά χρησιμοποιούνται στις τροφοδοτικές διατάξεις για εξομάλυνση της ανορθωμένης τάσης, σαν στραγγαλιστικά πηνία (είναι πηνία που έχουν μεγάλο συντελεστή αυτεπαγωγής και χρησιμοποιούνται για να περιορίσουν ή να εμποδίσουν την διέλευση διαφόρων σημάτων). κλπ.

Μετασχηματιστής

Ένα σύστημα δυο πηνίων πάνω σε κοινό κλειστό σιδηροπυρήνα είναι ένας μετασχηματιστής που χρησιμοποιείται να ανυψώσει ή να υποβιβάσει τη τάση του εναλλασσόμενου ρεύματος. Το πηνίο στο οποίο δίνεται η τάση προς μετασχηματισμό ονομάζεται πρωτεύον ενώ το πηνίο από το οποίο παίρνουμε την μετασχηματισμένη τάση ονομάζεται δευτερεύον.

Όταν στα άκρα του πρωτεύοντος πηνίου ενός μετασχηματιστή εφαρμόσουμε μια εναλλασσόμενη τάση, τότε δημιουργείται ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του, το οποίο διερχόμενο από το δευτερεύον πηνίου, μέσω του κοινού πυρήνα τους, δημιουργεί μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή σ’ αυτό με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται τάση εξ επαγωγής στο δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή.

Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται σήμερα σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές για τον μετασχηματισμό της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, σε χαμηλότερες τάσεις που λειτουργούν οι συσκευές αυτές, π.χ. το μετασχηματισμό της τάσης του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας 220V σε τάση 12V που λειτουργεί ένα ραδιόφωνο.

Από τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού προκύπτει ότι, αν σε ένα μετασχηματιστή στον οποίο το πρωτεύον έχει Ν_π σπείρες και το δευτερεύον Ν_δ σπείρες, τροφοδοτήσουμε το πρωτεύον με τάση (ενεργός τιμή) V_π και πάρουμε τάση (ενεργός τιμή) V_δ στο δευτερεύον, ισχύει η σχέση: V_π/V_δ = Ν_π/Ν_δ. Έτσι αν ο αριθμός των σπειρών του δευτερεύοντος είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό σπειρών του πρωτεύοντος Ν_δ> Ν_π τότε ο μετασχηματιστής ανυψώνει την τάση, ενώ στην αντίθετη περίπτωση όπου Ν_δ< Ν_π έχουμε μετασχηματιστή υποβιβασμού τάσης.

Σε ένα ιδανικό μετασχηματιστή η ενέργεια που απορροφά το πρωτεύον αποδίδεται όλη στο δευτερεύον. Δηλαδή ισχύουν οι σχέσεις: P_π= P_δ ==> V_πΙ_π=V_δΙ_δ ==> V_π/V_δ=Ι_δ/Ι_π Βλέπουμε ότι η τάση και η ένταση του ρεύματος μετασχηματίζονται αντίστροφα, δηλαδή όταν υποβιβάζεται η τάση, αυξάνεται η ένταση και όταν ανυψώνεται η τάση μειώνεται η ένταση του ρεύματος.

Σε ένα πραγματικό μετασχηματιστή η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος που παίρνουμε από το δευτερεύον είναι πάντοτε μικρότερη από την ισχύ που απορροφά το πρωτεύον. Αυτό οφείλεται στις απώλειες που παρατηρούνται κατά την λειτουργία του μετασχηματιστή. Οι απώλειες ενός μετασχηματιστή εκφράζονται με το βαθμό απόδοσης του.

Ο βαθμός απόδοσης α ενός μετασχηματιστή είναι ο λόγος της ισχύος P_δ που παίρνουμε από το δευτερεύον προς την ισχύ P_π που δίνουμε στο προτεύον, δηλαδή α= P_δ / P_π

Ο ιδανικός μετασχηματιστής έχει βαθμό απόδοσης 1. Είναι όμως αδύνατον να κατασκευαστεί ένας τέτοιος μετασχηματιστής. Ο βαθμός απόδοσης ενός μετασχηματιστή κυμαίνεται συνήθως από 0,9 έως 0,95.

Απώλειες ενός μετασχηματιστή

Οι απώλειες ενός μετασχηματιστή μπορεί να οφείλονται:

Απώλειες στην αντίσταση του χαλκού. Επειδή το σύρμα χαλκού με τα οποία είναι κατασκευασμένα τα τυλίγματα του μετασχηματιστή παρουσιάζει αντίσταση, έχουμε απώλειες υπό μορφή θερμότητας στα τυλίγματα.

Απώλειες από κατανεμημένη χωρητικότητα: Μεταξύ των σπειρών καθώς και μεταξύ των στρώσεων των τυλιγμάτων αναπτύσσεται χωρητικότητα που ονομάζεται κατανεμημένη χωρητικότητα. Η κατανεμημένη χωρητικότητα στις χαμηλές συχνότητες λειτουργίας του μετασχηματιστή εμφανίζει πολύ μικρές απώλειες, ενώ σε υψηλότερες συχνότητες παίζει σημαντικό ρόλο.

Απώλειες που οφείλονται σε δινορρεύματα: Επειδή μεταβάλλεται η μαγνητική ροή μέσα στη μάζα του πυρήνα ενός μετασχηματιστή εμφανίζεται το φαινόμενο δημιουργίας ρευμάτων μέσα στον πυρήνα. Αποτέλεσμα είναι ότι μέρος της μεταφερόμενης ενέργειας να εμφανίζεται υπό μορφή θερμότητας στον πυρήνα του μετασχηματιστή.

Απώλειες από υστέρηση: Λόγω της συνεχούς μαγνήτισης και απομαγνήτισης του πυρήνα παρατηρούνται απώλειες που είναι ανάλογες με το εμβαδόν του βρόγχου υστερήσεως των ελασμάτων. Η ενέργεια που χάνεται λόγω αυτού του φαινομένου εμφανίζεται υπό μορφή θερμότητας.

Απώλειες από σκεδάσεις: Λόγω της διασποράς των δυναμικών μαγνητικών γραμμών, μέρος των δυναμικών γραμμών που παράγει το πρωτεύον δεν περνά από το δευτερεύον, έτσι μέρος της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου του πρωτεύοντος δεν μεταφέρεται στο δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή.

Τοροειδείς μετασχηματιστές

Οι τοροειδείς μετασχηματιστές κατασκευάζονται με πηρήνα που έχει δακτυλιοειδή μορφή. Ο πυρήνας τους είναι συμπαγής (όχι από ελάσματα) και κατασκευάζεται από φερρίτη ή μίγματα σιδήρου και πυριτίου με προσμίξεις άλλων υλικών. Ο πυρήνας τους στην αρχή καλύπτεται μ’ ένα φύλλο αλουμινίου και στη συνέχεια με μονωτικό υλικό.

Ακολουθεί η περιέλιξη του πρωτεύοντος πηνίου με ειδική μηχανική διάταξη. Αφού μονωθεί το πρωτεύον ακολουθεί η περιέλιξη του δευτερεύοντος. Το δευτερεύον τύλιγμα καλύπτεται επίσης με μονωτικό υλικό, ενώ συχνά τοποθετείται μεταλλικό κάλυμα στους τοροειδείς μετασχηματιστές.

Λόγω της δακτυλιοειδής μορφής του πυρήνα, έχουμε καλύτερες μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, ελάχιστες απώλειες, μεγαλύτερη αξιοπιστία. Επίσης, επειδή ο κλειστός μαγνητικός βρόγχος είναι σχεδόν ιδανικός, χρησιμοποιούμε σύρμα μικρότερου μήκους. Έτσι ο μετασχηματιστής έχει μικρότερο βάρος, μικρότερο όγκο και μικρότερη αντίσταση. Αποτέλεσμα είναι ότι έχουμε πολύ μικρότερες απώλειες υπό μορφή θερμότητας.

Ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτών των μετασχηματιστών είναι η υψηλή τιμή τους εν σχέση με του κοινούς μετασχηματιστές.

Συμβολισμός πηνίων