זרם חילופין (AC) ברוב המכשירים בביתך יכול להגיע רק מקווי חשמל השולחים זרם ישר (DC) באמצעות שנאי. דרך כל סוגי הזרמים השונים שעשויים לזרום במעגל, זה עוזר להיות בכוח לשלוט בתופעות החשמליות האלה. עם כל השימושים שלהם בשינוי מתח המעגלים, השנאים מסתמכים במידה רבה על יחס הסיבובים שלהם.
חישוב שנאי הופך יחס
שנאי מסתובב יחסהוא חלוקת מספר הסיבובים בפיתול הראשוני במספר הסיבובים בפיתול המשני לפי המשוואה
T_R = \ frac {N_P} {N_S}
יחס זה צריך להיות שווה גם למתח של סלילה ראשונית חלקי מתח של סלילה משנית, כפי שניתן על ידיועמ '/ Vס. הפיתול העיקרי מתייחס למשרן המופעל, אלמנט מעגל המשרה שדה מגנטי בתגובה לזרימת המטען, של השנאי, והמשני הוא ללא הכוח מַשׁרָן.
יחסים אלה מתקיימים בהנחה שזווית הפאזה של הסלילה הראשונית שווה לזוויות הפאזה של המשנית על ידימשוואהΦפ = Φס.זווית פאזה ראשונית ומשנית זו מתארת כיצד הזרם המתחלף בין קדימה ל כיוונים הפוכים בפיתולים הראשוניים והמשניים של השנאי, אינם מסונכרנים עם אחד אַחֵר.
עבור מקורות מתח AC, כמו בשימוש עם שנאים, צורת הגל הנכנסת היא סינוסואידית, הצורה שגל סינוס מייצר. יחס סיבובי שנאי אומר לך כמה המתח משתנה דרך השנאי כאשר הזרם עובר מהפיתולים הראשוניים לפיתולים המשניים.
כמו כן, שים לב שהמילה "יחס" בנוסחה זו מתייחסת לאשבריר,לא יחס ממשי. השבר של 1/4 שונה מהיחס 1: 4. בעוד ש- 1/4 הוא חלק אחד מתוך שלם המחולק לארבעה חלקים שווים, היחס 1: 4 מייצג שעבור אחד ממשהו יש ארבעה ממשהו אחר. "היחס" ביחס סיבובי השנאי הוא שבר, ולא יחס, בנוסחת יחס השנאי.
יחס סיבובי השנאי מגלה שההפרש השברתי שהמתח לוקח על סמך מספר הסלילים המתפתלים סביב החלקים הראשוניים והמשניים של השנאי. שנאי עם חמש סלילי פצע ראשוניים ו -10 סלילי פצע משניים יחתוך מקור מתח לחצי כפי שניתן ב 5/10 או 1/2.
אם המתח עולה או יורד כתוצאה מסלילים אלה קובע שמדובר בשנאי מעלה או שנאי יורד על ידי נוסחת יחס השנאי. שנאי שאינו מגביר או מוריד מתח הוא "שנאי עכבה" שיכול גם למדוד עכבה, התנגדות מעגל לזרם, או פשוט להצביע על הפסקות בין חשמל שונות מעגלים.
בניית שנאי
מרכיבי הליבה של שנאי הם שני הסלילים, הראשוניים והמשניים, העוטפים ליבת ברזל. הליבה הפרומגנטית, או ליבה העשויה ממגנט קבוע, של שנאי משתמשת גם בפרוסות דקות מבודדות חשמלי כך שמשטחים אלה יכולים להפחית את ההתנגדות לזרם שעובר מהסלילים הראשוניים לסלילים המשניים של שַׁנַאי.
הקמת שנאי תיועד בדרך כלל לאבד כמה שפחות אנרגיה. מכיוון שלא כל השטף המגנטי מהסלילים הראשוניים עובר למשני, יהיה הפסד כלשהו בפועל. רובוטריקים יאבדו גם הם אנרגיה עקבזרמי מערבולת, זרם חשמלי מקומי הנגרם על ידי שינויים בשדה המגנטי במעגלים חשמליים.
רובוטריקים מקבלים את שמם מכיוון שהם משתמשים בהתקנה זו של ליבה ממגנטת עם פיתולים על שני חלקים נפרדים ממנו להפוך אנרגיה חשמלית לאנרגיה מגנטית באמצעות מגנטיזציה של הליבה מהזרם דרך הראשוני פיתולים.
לאחר מכן, הגרעין המגנטי מביא זרם בפיתולים המשניים, הממיר את האנרגיה המגנטית בחזרה לאנרגיה חשמלית. משמעות הדבר היא כי שנאים פועלים תמיד על מקור מתח זרם נכנס, כזה שעובר בין כיווני זרם קדימה לאחור במרווחי זמן קבועים.
סוגי אפקטים של שנאי
מלבד נוסחת המתח או מספר הסלילים, תוכלו ללמוד שנאים כדי ללמוד עוד על אופי סוגים שונים של סלילים מתח, אינדוקציה אלקטרומגנטית, שדות מגנטיים, שטף מגנטי ותכונות אחרות הנובעות מהקמת א שַׁנַאי.
בניגוד למקור מתח ששולח זרם לכיוון אחד,מקור מתח ACשנשלח דרך הסליל הראשוני ייצור שדה מגנטי משלו. תופעות אלה מכונות השראות הדדית.
עוצמת השדה המגנטי תגדל לערכו המרבי, השווה להפרש השטף המגנטי חלקי פרק זמן,dΦ / dt. זכור, במקרה זה,Φמשמש לציון שטף מגנטי ולא זווית פאזה. קווי שדה מגנטיים אלה נמשכים החוצה מהאלקטרומגנט. מהנדסים הבונים שנאים לוקחים בחשבון גם את הצמדת השטף, שהיא תוצר השטף המגנטיΦומספר הסלילים בחוטננגרמת על ידי השדה המגנטי העובר מסליל אחד למשנהו.
המשוואה הכללית לשטף מגנטי היא
\ Phi = BA \ cos {\ theta}
עבור שטח פנים שהשדה עובר עליואב מ2, שדה מגנטיבבטסלס ובθכזווית בין וקטור מאונך לשטח לבין השדה המגנטי. במקרה הפשוט של סלילים עטופים סביב מגנט, השטף ניתן על ידי
\ Phi = NBA
למספר סליליםנ, שדה מגנטיבומעל אזור מסויםאשל משטח המקביל למגנט. עם זאת, עבור שנאי, הצמדת השטף גורמת לשטף המגנטי בפיתול הראשוני להיות שווה לזה של הפיתול המשני.
לפיחוק פאראדיי,אתה יכול לחשב את המתח המושרה בפיתולים הראשוניים או המשניים של השנאי על ידי חישובN x dΦ / dt. זה גם מסביר מדוע השנאי הופך את היחס בין המתח של חלק אחד של השנאי לשני שווה למספר הסלילים של אחד לשני.
אם היית משווה את ה-N x dΦ / dtשל חלק אחד למשנהו, אתdΦ / dtיתבטל בגלל ששני החלקים בעלי אותו שטף מגנטי. לבסוף, אתה יכול לחשב את סיבובי האמפררים של השנאי כמוצר הנוכחי כפול מספר הסלילים כשיטה למדידת הכוח הממגנט של הסליל.
רובוטריקים בפועל
רשתות חלוקת חשמל שולחות חשמל מתחנות כוח לבניינים ובתים. קווי חשמל אלה מתחילים בתחנת הכוח בה גנרטור חשמלי יוצר אנרגיה חשמלית ממקור כלשהו. זה יכול להיות סכר הידרואלקטרי הרותם את כוחם של מים או טורבינת גז המשתמשת בעירה כדי ליצור אנרגיה מכנית מגז טבעי וממירה אותו לחשמל. חשמל זה, למרבה הצער, מיוצר כמתח DCאשר צריך להמיר למתח AC עבור מרבית מכשירי החשמל הביתיים.
רובוטריקים הופכים את השימוש בחשמל זה על ידי יצירת ספקי כוח חד פאזיים למשקי בית ולבניינים ממתח AC המתנודד הנכנס. השנאים לאורך רשתות חלוקת החשמל מבטיחים גם שהמתח הוא כמות מתאימה למערכות אלקטרוניות וחשמל ביתיות. רשתות הפצה משתמשות גם ב"אוטובוסים "המפרידים חלוקה למספר כיוונים לצד מפסקים כדי לשמור על הפצות נפרדות זו מזו.
מהנדסים מחשיבים לעיתים קרובות את היעילות של שנאים באמצעות המשוואה הפשוטה ליעילות כמו
\ eta = \ frac {P_O} {P_I}
fאו כוח פלטפאווכוח קלטפאני. בהתבסס על בניית עיצובי שנאים, מערכות אלו אינן מאבדות אנרגיה לחיכוך או להתנגדות אוויר מכיוון ששנאים אינם כוללים חלקים נעים.
הזרם הממגנט, כמות הזרם הדרושה כדי למגנט את הליבה של השנאי, היא בדרך כלל קטנה מאוד בהשוואה לזרם שהחלק העיקרי של שנאי גורם. גורמים אלה פירושם ששנאים הם בדרך כלל יעילים מאוד עם יעילות של 95 אחוז ומעלה עבור העיצובים המודרניים ביותר.
אם היית מחיל מקור מתח AC על סלילה ראשונית של שנאי, השטף המגנטי המושרה פנימה הליבה המגנטית תמשיך לגרום למתח AC בפיתול המשני באותו שלב כמו המקור מתח. השטף המגנטי בליבה, לעומת זאת, נשאר 90 מעלות מאחורי זווית הפאזה של מתח המקור. פירוש הדבר שזרם המתפתל הראשוני, הזרם הממגנט, נותר גם מאחורי מקור המתח.
משוואת שנאי בהשראות הדדיות
בנוסף לשדה, שטף ומתח, השנאים ממחישים את התופעות האלקטרומגנטיות של הדדיות השראות הנותנת יותר כוח לפיתולים הראשוניים של שנאי כאשר הם מחוברים לחשמל לְסַפֵּק.
זה קורה כתגובת הפיתול הראשוני לעלייה בעומס, דבר הגוזל חשמל, על הפיתולים המשניים. אם הוספת עומס לפיתולים המשניים באמצעות שיטה כגון הגדלת התנגדות חוטיו, הפיתולים הראשוניים יגיבו על ידי שאיבת זרם רב יותר ממקור החשמל כדי לפצות על כך לְהַקְטִין.השראות הדדיתהוא העומס שהעלית על המשנית, באמצעותו תוכל לחשב את עליית הזרם באמצעות הפיתולים הראשוניים.
אם היית כותב משוואת מתח נפרדת הן לפיתולים הראשוניים והן לפיתולים המשניים, תוכל לתאר תופעות אלו של השראות הדדית. לפיתול העיקרי,
V_P = I_PR_1 + L_1 \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} -M \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
לזרם דרך הפיתול הראשוניאניפ, עמידות עומס ראשית מתפתלתר1, השראות הדדיתM, השראות סלילה ראשוניותלאני, סלילה משניתאניסושינוי בזמןΔt. הסימן השלילי מול ההשראות ההדדיתMמראה כי זרם המקור חווה באופן מיידי ירידה במתח עקב העומס על הסיבוב המשני, אך בתגובה, הסלילה הראשונית מעלה את מתחו.
משוואה זו עוקבת אחר כללי כתיבת משוואות המתארות כיצד זרם ומתח נבדלים בין אלמנטים במעגל. עבור לולאה חשמלית סגורה, אתה יכול לכתוב את סכום המתח על פני כל רכיב כשווה לאפס כדי להראות כיצד המתח יורד על פני כל אלמנט במעגל.
עבור הפיתולים הראשוניים, אתה כותב משוואה זו כדי להתחשב במתח על פני הפיתולים הראשוניים עצמם (אניפר1), המתח הנובע מהזרם המושרה של השדה המגנטיל1ΔIפ/Δtוהמתח הנובע מההשפעה של השראות הדדית מהסלילים המשנייםM ΔIס/Δt.
באופן דומה, תוכלו לכתוב משוואה המתארת את ירידות המתח על פני הפיתולים המשניים כ-
M \ frac {\ Delta I_P} {\ Delta t} = I_SR_2 + L_2 \ frac {\ Delta I_S} {\ Delta t}
משוואה זו כוללת את זרם המתפתל המשניאניס, השראות סלילה משניותל2והתנגדות העומס המתפתלת המשניתר2. ההתנגדות וההשראות מסומנות בתוויות 1 או 2 במקום P או S, בהתאמה, מכיוון שנגדים ומשרנים ממוספרים לעיתים קרובות, ולא מסומנים באותיות. לבסוף, תוכלו לחשב השראות הדדיות מהמשרנים ישירות כ-
M = \ sqrt {L_1L_2}