شیر برقی ساده [ ویرایش ]

نوشتار اصلی: شیر برقی

یک الکترومغناطیس کششی رایج، یک سلونوئید و پیستون یکنواخت است . شیر برقی یک سیم پیچ است و پیستون از موادی مانند آهن نرم ساخته شده است. اعمال جریان به شیر برقی، نیرویی به پیستون وارد می کند و ممکن است باعث حرکت آن شود. هنگامی که نیروهای وارده به آن متعادل شوند، پیستون از حرکت می ایستد. به عنوان مثال، هنگامی که پیستون در مرکز شیر برقی قرار دارد، نیروها متعادل می شوند.

حداکثر کشش یکنواخت زمانی اتفاق می افتد که یک سر پیستون در وسط شیر برقی قرار گیرد. تقریبی برای نیروی F برابر است با [8]

اف=سیآنمن/ℓ{\displaystyle F=CANI/\ell }

که در آن C یک ثابت تناسب، A سطح مقطع پیستون، N تعداد چرخش در شیر برقی، I جریان عبوری از سیم برقی و ℓ طول شیر برقی است. برای واحدهایی که از اینچ، پوند نیرو و آمپر با شیر برقی بلند و باریک استفاده می کنند، مقدار C حدود 0.009 تا 0.010 psi است (حداکثر پوند کشش در هر اینچ مربع سطح مقطع پیستون). [9] به عنوان مثال، یک سیم پیچ 12 اینچی ( ℓ = 12 اینچ ) با یک پیستون بلند با سطح مقطع 1 اینچ مربع ( A = 1 در 2 ) و 11200 آمپر دور ( NI = 11200 Aturn ) دارای حداکثر است. کشش 8.75 پوند (مرتبط با C = 0.0094 psi ). [10]

حداکثر کشش زمانی که یک استاپ مغناطیسی در شیر برقی وارد می شود افزایش می یابد. استاپ به آهنربایی تبدیل می شود که پیستون را جذب می کند. هنگامی که پیستون دور است، مقدار کمی به کشش شیر برقی اضافه می کند، اما هنگامی که آنها نزدیک هستند، کشش را به طور چشمگیری افزایش می دهد. تقریبی برای کشش P است [11]

پ=آنمن[نمنℓآ2سی12+سیℓ]=آن2من2ℓآ2سی12+سیآنمنℓ{\displaystyle P=ANI\left[{\frac {NI}{\ell _{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2}}}+{\frac {C}{\ell }}\right]={\frac {AN^{2}I^{2}}{\ell _{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2}}}+{\frac {CANI}{\ell }}}

در اینجا ℓ a فاصله بین انتهای استاپ و انتهای پیستون است. ثابت اضافی C 1 برای واحدهای اینچ، پوند و آمپر با شیر برقی باریک حدود 2660 است. دومین عبارت درون براکت نشان دهنده همان نیروی شیر برقی بدون توقف بالا است. عبارت اول نشان دهنده جاذبه بین استاپ و پیستون است.

برخی از بهبودها را می توان در طراحی اولیه ایجاد کرد. انتهای استاپ و پیستون اغلب مخروطی هستند. به عنوان مثال، پیستون ممکن است یک انتهای نوک تیز داشته باشد که در یک فرورفتگی مطابق در استاپ قرار می گیرد. شکل باعث می شود کشش شیر برقی به عنوان تابعی از جداسازی یکنواخت تر شود. یکی دیگر از بهبودها اضافه کردن یک مسیر برگشت مغناطیسی در اطراف بیرونی شیر برقی (یک "شیر برقی با روکش آهن") است. [12] [13] مسیر برگشت مغناطیسی، درست مانند توقف، تاثیر کمی دارد تا زمانی که شکاف هوا کوچک شود.

فیزیک [ ویرایش ]

جریان (I) از طریق یک سیم یک میدان مغناطیسی (B) ایجاد می کند. فیلد بر اساس قانون دست راست جهت یابی می شود .

خطوط میدان مغناطیسی یک حلقه سیم حامل جریان از مرکز حلقه عبور می کند و میدان را در آنجا متمرکز می کند.

میدان مغناطیسی که با عبور جریان از سیم پیچ ایجاد می شود

جریان الکتریکی که در یک سیم جریان دارد، به دلیل قانون آمپر ، میدان مغناطیسی را در اطراف سیم ایجاد می کند (نمودار زیر را ببینید). برای متمرکز کردن میدان مغناطیسی، در یک آهنربای الکتریکی، سیم به سیم پیچی پیچیده می‌شود که سیم‌های زیادی در کنار هم قرار دارند. [2] میدان مغناطیسی تمام پیچ های سیم از مرکز سیم پیچ عبور می کند و یک میدان مغناطیسی قوی در آنجا ایجاد می کند. [2] سیم پیچی که شکل یک لوله مستقیم ( مارپیچ ) را تشکیل می دهد، شیر برقی نامیده می شود . [1] [2]

جهت میدان مغناطیسی از طریق سیم پیچی را می توان از شکلی از قانون دست راست پیدا کرد . [14] [15] اگر انگشتان دست راست در جهت جریان جریان ( جریان معمولی ، جریان بار مثبت ) از طریق سیم‌پیچ‌ها در اطراف سیم پیچ پیچیده شوند، انگشت شست در جهت میدان داخل سیم پیچ قرار می‌گیرد. طرف آهنربا که خطوط میدان از آن بیرون می آیند قطب شمال تعریف می شود .

اگر یک " هسته مغناطیسی " از یک ماده فرومغناطیسی (یا فرومغناطیسی ) نرم ، مانند آهن ، در داخل سیم پیچ قرار گیرد، می توان میدان های مغناطیسی بسیار قوی تری تولید کرد . [1] [2] [16] [17] یک هسته می تواند میدان مغناطیسی را تا هزاران برابر قدرت میدان سیم پیچ به تنهایی افزایش دهد، به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی بالای ماده. [1] [2] این الکترومغناطیس هسته فرومغناطیسی یا هسته آهن نامیده می شود. با این حال، همه الکترومغناطیس ها از هسته استفاده نمی کنند و قوی ترین آهنرباهای الکترومغناطیس مانند ابررساناها و الکترومغناطیس های جریان بسیار بالا به دلیل اشباع نمی توانند از آنها استفاده کنند.

قانون آمپر [ ویرایش ]

برای تعاریف متغیرهای زیر، کادر انتهای مقاله را ببینید.

میدان مغناطیسی آهنرباهای الکتریکی در حالت کلی با قانون آمپر به دست می آید :

🔻جی⋅دآ=∮اچ⋅دℓ{\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}

که می گوید انتگرال میدان مغناطیسیاچ\mathbf{H}اطراف هر حلقه بسته برابر با مجموع جریانی است که از حلقه می گذرد. معادله دیگر مورد استفاده، که میدان مغناطیسی را به دلیل هر قطعه کوچک جریان نشان می دهد، قانون Biot-Savart است . محاسبه میدان مغناطیسی و نیروی اعمال شده توسط مواد فرومغناطیسی به دو دلیل دشوار است. اول، به این دلیل که قدرت میدان از نقطه ای به نقطه دیگر به روشی پیچیده متفاوت است، به ویژه در خارج از هسته و در شکاف های هوایی، جایی که میدان های حاشیه و شار نشتی باید در نظر گرفته شوند. دوم، به این دلیل که میدان مغناطیسی B و نیرو تابع غیرخطی جریان هستند، بسته به رابطه غیرخطی بین B و H برای ماده هسته خاص مورد استفاده. برای محاسبات دقیق، از برنامه های کامپیوتری که می توانند مدلی از میدان مغناطیسی را با استفاده از روش اجزای محدود تولید کنند ، استفاده می شود.

هسته مغناطیسی [ ویرایش ]

مواد یک هسته مغناطیسی (اغلب از آهن یا فولاد ساخته می شود) از مناطق کوچکی به نام حوزه های مغناطیسی تشکیل شده است که مانند آهنرباهای کوچک عمل می کنند (به فرومغناطیس مراجعه کنید ). قبل از اینکه جریان در آهنربای الکتریکی روشن شود، حوزه‌های موجود در هسته آهنی نرم در جهت‌های تصادفی قرار می‌گیرند، بنابراین میدان‌های مغناطیسی کوچک آنها یکدیگر را خنثی می‌کنند و آهن میدان مغناطیسی در مقیاس بزرگ ندارد. هنگامی که جریانی از سیم پیچیده شده به دور آهن عبور می کند، میدان مغناطیسی آن به آهن نفوذ می کند و باعث می شود که دامنه ها به موازات میدان مغناطیسی بچرخند، بنابراین میدان های مغناطیسی کوچک آنها به میدان سیم اضافه می شود و میدان مغناطیسی بزرگی ایجاد می کند. که به فضای اطراف آهنربا گسترش می یابد. اثر هسته متمرکز کردن میدان است و میدان مغناطیسی راحت تر از هوا از هسته عبور می کند.

هرچه جریان عبوری از سیم پیچ بزرگتر باشد، دامنه ها بیشتر تراز می شوند و میدان مغناطیسی قوی تر است. در نهایت، همه حوزه‌ها در یک ردیف قرار می‌گیرند و افزایش بیشتر جریان تنها باعث افزایش جزئی در میدان مغناطیسی می‌شود: این پدیده اشباع نامیده می‌شود .

هنگامی که جریان در سیم پیچ خاموش می شود، در مواد مغناطیسی نرم که تقریباً همیشه به عنوان هسته استفاده می شوند، بیشتر حوزه ها تراز خود را از دست می دهند و به حالت تصادفی باز می گردند و میدان ناپدید می شود. با این حال، برخی از هم‌ترازی‌ها ادامه می‌یابد، زیرا دامنه‌ها در چرخش جهت مغناطیسی خود مشکل دارند، و هسته یک آهنربای دائمی ضعیف باقی می‌ماند. این پدیده پسماند نامیده می شود و میدان مغناطیسی باقیمانده مغناطیس پسماند نامیده می شود . مغناطش باقی مانده از هسته را می توان با degaussing حذف کرد . در الکترومغناطیس‌های جریان متناوب، مانند مواردی که در موتورها استفاده می‌شود، مغناطش هسته به طور مداوم معکوس می‌شود و پسماند به تلفات موتور کمک می‌کند.

مدار مغناطیسی [ ویرایش ]

میدان مغناطیسی ( سبز ) یک آهنربای الکتریکی معمولی، با هسته آهنی C که یک حلقه بسته با دو شکاف هوایی G در آن تشکیل می دهد.
B - میدان مغناطیسی در هسته
B F - "میدان های حاشیه". در شکاف G خطوط میدان مغناطیسی "برآمده" می شوند، بنابراین قدرت میدان کمتر از هسته است: B F < B
B L – شار نشتی ; خطوط میدان مغناطیسی که از مدار مغناطیسی کامل پیروی نمی کنند
L - طول متوسط ​​مدار مغناطیسی مورد استفاده در معادله. 1 زیر. این مجموع طول هسته L در قطعات هسته آهنی و طول شکاف L در شکاف های هوایی G است .
هم شار نشتی و هم میدان های حاشیه ای با افزایش شکاف ها بزرگتر می شوند و نیروی وارد شده توسط آهنربا را کاهش می دهند.

در بسیاری از کاربردهای عملی آهنرباهای الکتریکی، مانند موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، آهنرباهای بالابر و بلندگوها، هسته آهنی به شکل یک حلقه یا مدار مغناطیسی است که احتمالاً توسط چند شکاف هوای باریک شکسته می شود. [2] این به این دلیل است که خطوط میدان مغناطیسی به شکل حلقه های بسته هستند. آهن نسبت به هوا "مقاومت" ( بی میلی ) کمتری در برابر میدان مغناطیسی نشان می دهد، بنابراین اگر بیشتر مسیر میدان مغناطیسی در داخل هسته باشد، میدان قوی تری به دست می آید. [2]

از آنجایی که بیشتر میدان مغناطیسی در خطوط اصلی حلقه هسته محدود می شود، این امکان ساده سازی تحلیل ریاضی را فراهم می کند. [2] نقاشی سمت راست را ببینید. یک فرض ساده سازی رایج که توسط بسیاری از آهنرباهای الکترومغناطیسی برآورده می شود، این است که شدت میدان مغناطیسی B در اطراف مدار مغناطیسی (داخل هسته و شکاف هوا) ثابت و در خارج از آن صفر است. بیشتر میدان مغناطیسی در ماده هسته ( C ) متمرکز خواهد شد. در درون هسته، میدان مغناطیسی ( B ) در سراسر هر مقطع تقریباً یکنواخت خواهد بود، بنابراین اگر علاوه بر این، هسته در سراسر طول خود دارای مساحت تقریباً ثابتی باشد، میدان در هسته ثابت خواهد بود. [2] این فقط شکاف‌های هوا ( G ) را در صورت وجود بین بخش‌های هسته ایجاد می‌کند. در شکاف‌ها، خطوط میدان مغناطیسی دیگر توسط هسته محدود نمی‌شوند، بنابراین قبل از خمیدگی به سمت خارج از خطوط اصلی هسته بیرون می‌آیند تا وارد قطعه بعدی از مواد هسته شوند و قدرت میدان را در شکاف کاهش می‌دهند. [2] برآمدگی ها ( B F ) را میدان های حاشیه ای می نامند . [2] با این حال، تا زمانی که طول شکاف کوچکتر از ابعاد مقطع هسته باشد، میدان در شکاف تقریباً مانند هسته خواهد بود. علاوه بر این، برخی از خطوط میدان مغناطیسی ( B L ) "برش های کوتاه" می گیرند و از کل مدار هسته عبور نمی کنند و بنابراین به نیروی وارد شده توسط آهنربا کمک نمی کنند. این شامل خطوط میدانی نیز می شود که سیم پیچ های سیم را احاطه کرده اند اما وارد هسته نمی شوند. به این شار نشتی می گویند . بنابراین، معادلات این بخش برای آهنرباهای الکتریکی معتبر است که:

  1. مدار مغناطیسی یک حلقه منفرد از مواد هسته است که احتمالاً توسط چند شکاف هوا شکسته شده است
  2. سطح مقطع هسته در سراسر طول تقریباً یکسان است.
  3. هر شکاف هوایی بین بخش های مواد هسته در مقایسه با ابعاد مقطع هسته بزرگ نیست.
  4. شار نشتی ناچیز وجود دارد

ویژگی غیرخطی اصلی مواد فرومغناطیسی این است که میدان B در مقدار معینی اشباع می‌شود ، [2] که برای اکثر فولادهای هسته‌ای با نفوذپذیری بالا حدود 1.6 تا 2 تسلا (T) است. [18] [19] [20] میدان B با افزایش جریان تا آن مقدار به سرعت افزایش می‌یابد، اما بالاتر از آن مقدار، سطح میدان خاموش می‌شود و تقریبا ثابت می‌شود، صرف نظر از اینکه چه مقدار جریان از طریق سیم‌پیچ‌ها ارسال می‌شود. [2] بنابراین حداکثر قدرت میدان مغناطیسی ممکن از یک آهنربای الکتریکی هسته آهنی به حدود 1.6 تا 2 T محدود می شود. [18] [20]