سلف

در این آموزش خواهیم دید که سلف یک جزء الکتریکی است که برای وارد کردن اندوکتانس به یک مدار استفاده می‌شود که با تغییر جریان جریان، قدر و جهت مخالف است و حتی یک قطعه مستقیم سیم رسانا می‌تواند مقداری اندوکتانس در آن داشته باشد. .

در آموزش های ما در مورد الکترومغناطیس دیدیم که وقتی جریان الکتریکی از یک هادی سیم می گذرد، یک شار مغناطیسی در اطراف آن هادی ایجاد می شود. این تأثیر رابطه ای بین جهت شار مغناطیسی که در اطراف هادی در گردش است و جهت جریانی که از همان هادی عبور می کند ایجاد می کند. این منجر به یک رابطه بین جریان و جهت شار مغناطیسی به نام “قانون دست راست فلمینگ” می شود.

اما ویژگی مهم دیگری نیز در رابطه با سیم پیچ زخمی وجود دارد و آن این است که یک ولتاژ ثانویه با حرکت شار مغناطیسی به همان سیم پیچ القا می شود، زیرا در برابر یا مقاومت در برابر هر گونه تغییر در جریان الکتریکی جریان دارد.

در ابتدایی ترین شکل خود، یک سلف چیزی بیش از سیم پیچی از سیم نیست که به دور یک هسته مرکزی پیچیده شده است. برای اکثر سیم پیچ ها، جریان (  i  ) که از سیم پیچ عبور می کند، یک شار مغناطیسی (  NΦ  ) در اطراف آن ایجاد می کند که متناسب با این جریان الکتریکی است.

یک سلف که چوک نیز نامیده می شود، یکی دیگر از اجزای الکتریکی نوع غیرفعال است که از سیم پیچی سیمی تشکیل شده است که برای استفاده از این رابطه با القای میدان مغناطیسی در خود یا درون هسته آن در نتیجه جریانی که از سیم پیچ سیم می گذرد، طراحی شده است. تشکیل یک سیم پیچ سیم به یک سلف باعث ایجاد میدان مغناطیسی بسیار قوی تر از میدان مغناطیسی می شود که توسط یک سیم پیچ ساده سیم تولید می شود.

سلف ها با سیمی که به طور محکم دور یک هسته مرکزی جامد پیچیده شده است تشکیل می شوند که می تواند یک میله استوانه ای مستقیم یا یک حلقه یا حلقه پیوسته برای متمرکز کردن شار مغناطیسی آنها باشد.

نماد شماتیک یک سلف، سیم پیچ سیم است، بنابراین، سیم پیچ سیم را می توان سلف نیز نامید . سلف ها معمولاً بر اساس نوع هسته داخلی که به اطراف پیچیده می شوند، طبقه بندی می شوند، به عنوان مثال، هسته توخالی (هوای آزاد)، هسته آهنی جامد یا هسته فریت نرم با انواع مختلف هسته که با افزودن خطوط موازی پیوسته یا نقطه چین در کنار آن متمایز می شوند. سیم پیچ مطابق شکل زیر

نماد سلف

جریان، i که از یک سلف عبور می کند، شار مغناطیسی متناسب با آن تولید می کند. اما بر خلاف خازن که با تغییر ولتاژ در صفحات خود مخالف است، یک سلف با نرخ تغییر جریانی که از آن عبور می‌کند به دلیل ایجاد انرژی خودالقایی در میدان مغناطیسی خود مخالف است.

به عبارت دیگر، سلف ها در برابر تغییرات جریان مقاومت می کنند یا مخالفت می کنند، اما به راحتی جریان DC حالت پایدار را عبور می دهند. این توانایی یک سلف برای مقاومت در برابر تغییرات جریان و همچنین به جریان، i با پیوند شار مغناطیسی آن مربوط می شود، NΦ به عنوان یک ثابت تناسب، اندوکتانس نامیده می شود که نماد L با واحدهای هنری ، ( H ) پس از جوزف هنری داده می شود.

از آنجایی که هانری به تنهایی واحد نسبتاً بزرگی از اندوکتانس است، برای سلف های کوچکتر از واحدهای فرعی هانری برای نشان دادن مقدار آن استفاده می شود. مثلا:

پیشوندهای القایی

بنابراین برای نمایش واحدهای فرعی هنری به عنوان مثال استفاده می کنیم:

• 1mH = 1 mili-Henry   – که برابر با یک هزارم (1/1000) هانری است.
• 100μH = 100 میکرو هانری   – که برابر است با 100 میلیونیم (1/1,000,000) هانری.

سلف ها یا سیم پیچ ها در مدارهای الکتریکی بسیار رایج هستند و عوامل زیادی وجود دارند که اندوکتانس سیم پیچ را تعیین می کنند مانند شکل سیم پیچ، تعداد دور سیم عایق، تعداد لایه های سیم، فاصله بین پیچ ها. ، نفوذپذیری مواد هسته، اندازه یا سطح مقطع هسته و غیره، به نام چند.

یک سیم پیچ سلف دارای یک ناحیه هسته مرکزی، (  A  ) با تعداد دور سیم ثابت در واحد طول، (  l  ) است. بنابراین اگر یک سیم پیچ N دور با مقداری شار مغناطیسی به هم متصل شود، آنگاه سیم پیچ یک اتصال شار NΦ دارد و هر جریانی  که  از سیم پیچ عبور کند، یک شار مغناطیسی القایی در جهت مخالف ایجاد می کند. جریان جریان سپس طبق قانون فارادی، هر تغییری در این پیوند شار مغناطیسی، یک ولتاژ خود القایی را در سیم پیچ منفرد ایجاد می کند:

• جایی که:
•     N تعداد چرخش است
•     A سطح مقطع بر حسب m2 ^است
•     Φ مقدار شار در وبر است
•     μ نفوذپذیری ماده هسته است
•     l طول سیم پیچ بر حسب متر است
•     di/dt نرخ تغییر جریان بر حسب آمپر بر ثانیه است

یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان، ولتاژی را القا می کند که متناسب با نرخ تغییر جریان تولید کننده آن است، با یک مقدار مثبت که نشان دهنده افزایش emf و یک مقدار منفی نشان دهنده کاهش emf است. معادله مربوط به این ولتاژ، جریان و اندوکتانس خود القا شده را می توان با جایگزینی μN ² A / l با L که نشان دهنده ثابت تناسب به نام اندوکتانس سیم پیچ است، پیدا کرد.

رابطه بین شار در سلف و جریانی که از سلف می گذرد به صورت: NΦ = Li . از آنجایی که یک سلف از سیم پیچی از سیم رسانا تشکیل شده است، سپس معادله فوق را کاهش می‌دهد تا emf خود القا شده، که گاهی اوقات به آن emf عقب القا شده در سیم‌پیچ نیز می‌گویند:

Back emf توسط یک سلف تولید شده است

جایی که: L خود القایی و di/dt نرخ تغییر جریان است.

بنابراین از این معادله می توانیم بگوییم که “EMF خود القایی برابر است با اندوکتانس ضربدر نرخ تغییر جریان” و مداری که اندوکتانس آن یک هانری است، زمانی که جریان از مدار عبور می کند، یک ولتاژ یک ولت در مدار القا می شود. با سرعت یک آمپر در ثانیه تغییر می کند.

یک نکته مهم در رابطه با معادله بالا قابل ذکر است. فقط EMF تولید شده در سرتاسر سلف را به تغییرات جریان مرتبط می کند زیرا اگر جریان سلف ثابت باشد و تغییری نداشته باشد مانند جریان DC در حالت ثابت، ولتاژ emf القایی صفر خواهد بود زیرا نرخ لحظه ای تغییر جریان است. صفر، di/dt = 0 .

با جریان ثابت DC که از طریق سلف می‌گذرد و در نتیجه ولتاژ القایی آن صفر است، سلف به عنوان یک اتصال کوتاه برابر با یک قطعه سیم یا حداقل یک مقاومت بسیار کم عمل می‌کند. به عبارت دیگر، مخالفت با جریان جریان ارائه شده توسط یک سلف بین مدارهای AC و DC بسیار متفاوت است.

ثابت زمانی یک سلف

اکنون می دانیم که جریان نمی تواند فوراً در یک سلف تغییر کند، زیرا برای وقوع این امر، جریان باید در زمان صفر مقدار محدودی تغییر کند که منجر به بی نهایت بودن نرخ تغییر جریان می شود، di/dt =  ∞ ، ایجاد emf القایی بی نهایت و ولتاژ نامتناهی وجود ندارد. با این حال، اگر جریان عبوری از یک سلف به سرعت تغییر کند، مانند عملکرد یک کلید، ولتاژهای بالا را می توان در سراسر سیم پیچ سلف القا کرد.

مدار یک سلف خالص را در سمت راست در نظر بگیرید. با باز بودن کلید (  S1  ) هیچ جریانی از سیم پیچ سلف عبور نمی کند. از آنجایی که هیچ جریانی از سلف عبور نمی کند، نرخ تغییر جریان ( di/dt ) در سیم پیچ صفر خواهد بود. اگر نرخ تغییر جریان صفر باشد، در سیم‌پیچ سلف، هیچ‌گونه بازگشتی (  _VL  = 0) ایجاد نمی‌شود .

اگر اکنون کلید را ببندیم (t = 0)، جریانی از مدار می گذرد و به آرامی به حداکثر مقدار خود با نرخی که توسط اندوکتانس سلف تعیین می شود افزایش می یابد. این نرخ جریانی که از سلف می گذرد در اندوکتانس سلف در هانری ضرب می شود، منجر به تولید مقدار ثابتی emf خود القا شده در سراسر سیم پیچ می شود که با معادله فارادی بالا، VL = -Ldi/dt تعیین  می _شود .

این emf خود القا شده در سراسر سیم پیچ سلف، (  VL  ) با ولتاژ اعمال شده مبارزه می کند تا زمانی که جریان به حداکثر مقدار خود برسد و به یک وضعیت پایدار برسد _. جریانی که اکنون از طریق سیم پیچ می گذرد تنها با مقاومت DC یا “خالص” سیم پیچ سیم پیچ تعیین می شود زیرا مقدار راکتانس سیم پیچ به صفر کاهش یافته است زیرا نرخ تغییر جریان (di/dt) در یک سیم پیچ صفر است. وضعیت پایدار به عبارت دیگر، در یک سیم پیچ واقعی فقط سیم پیچ ها مقاومت DC وجود دارد تا با جریان جریان از طریق خود مخالفت کند.

به همین ترتیب، اگر کلید (S1) باز شود، جریان عبوری از سیم پیچ شروع به کاهش می کند، اما سلف دوباره با این تغییر مبارزه می کند و سعی می کند با القای یک ولتاژ دیگر در جهت دیگر، جریان را در مقدار قبلی خود حفظ کند. شیب ریزش منفی و مرتبط با اندوکتانس سیم پیچ مطابق شکل زیر خواهد بود.

جریان و ولتاژ در سلف

اینکه چه مقدار ولتاژ القایی توسط سلف تولید می شود به نرخ تغییر جریان بستگی دارد. در آموزش ما در مورد القای الکترومغناطیسی، قانون لنز بیان کرد که: “جهت یک emf القایی به گونه ای است که همیشه با تغییری که باعث آن می شود مخالف است” . به عبارت دیگر، یک emf القایی همیشه با حرکت یا تغییری که در وهله اول emf القایی را شروع کرده است مخالفت می کند.

بنابراین با کاهش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوان منبع و با افزایش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوان بار عمل می کند. بنابراین برای نرخ یکسان تغییر جریان از طریق سیم پیچ، افزایش یا کاهش مقدار emf القایی یکسان خواهد بود.

مثال آموزش شماره 1

یک جریان مستقیم 4 آمپر در حالت ثابت از یک سیم پیچ برقی 0.5H عبور می کند. اگر سوئیچ مدار فوق به مدت 10 میلی‌ثانیه باز شود و جریان عبوری از سیم پیچ به صفر آمپر کاهش یابد، متوسط ​​ولتاژ EMF برگشتی القا شده در سیم پیچ چقدر خواهد بود.

قدرت در سلف

می دانیم که یک سلف در مدار با جریان جریان (  i  ) از طریق آن مخالف است زیرا جریان این جریان یک emf را القا می کند که با آن مخالف است، قانون لنز. سپس کار باید توسط منبع باتری خارجی انجام شود تا جریان در برابر این emf القایی جریان یابد. _{توان لحظه ای مورد} استفاده در وادار کردن جریان (  i  ) در برابر این emf خود القا شده (  VL  ) از بالا به صورت زیر داده می شود:

توان در یک مدار به صورت P = V*I داده می شود بنابراین:

یک سلف ایده آل مقاومت ندارد و فقط اندوکتانس دارد بنابراین R = 0 Ω و بنابراین هیچ توانی در داخل سیم پیچ تلف نمی شود، بنابراین می توان گفت که یک سلف ایده آل تلفات توان صفر دارد.

انرژی ذخیره شده

هنگامی که نیرو به یک سلف جریان می یابد، انرژی در میدان مغناطیسی آن ذخیره می شود. هنگامی که جریان عبوری از سلف در حال افزایش است و di/dt بزرگتر از صفر می شود، توان لحظه ای در مدار نیز باید بزرگتر از صفر باشد (  P > 0  ) یعنی مثبت که به این معنی است که انرژی در سلف ذخیره می شود.

به همین ترتیب، اگر جریان عبوری از سلف در حال کاهش باشد و di/dt کمتر از صفر باشد، توان لحظه‌ای نیز باید کمتر از صفر باشد، (  P <0  ) یعنی منفی که به این معنی است که سلف انرژی را به مدار برمی‌گرداند. سپس با ادغام معادله توان بالا، کل انرژی مغناطیسی که همیشه مثبت است و در سلف ذخیره می شود، به صورت زیر داده می شود:

انرژی ذخیره شده

جایی که:   W بر حسب ژول، L در هانری و i بر حسب آمپر است

انرژی در واقع در میدان مغناطیسی که سلف را با جریانی که از طریق آن می گذرد، احاطه می کند، ذخیره می شود. در یک سلف ایده‌آل که هیچ مقاومت و ظرفیتی ندارد، با افزایش جریان، انرژی به درون سلف جریان می‌یابد و در میدان مغناطیسی آن بدون تلفات ذخیره می‌شود، تا زمانی که جریان کاهش نیابد و میدان مغناطیسی فرو بریزد، آزاد نمی‌شود.

سپس در یک جریان متناوب، مدار AC یک سلف دائماً انرژی را در هر سیکل ذخیره و تحویل می دهد. اگر جریان عبوری از سلف مانند مدار DC ثابت باشد، آنگاه تغییری در انرژی ذخیره شده به صورت P = Li(di/dt) = 0 وجود ندارد .

بنابراین سلف‌ها را می‌توان به عنوان اجزای غیرفعال تعریف کرد زیرا هم می‌توانند انرژی را ذخیره کرده و هم به مدار برسانند، اما نمی‌توانند انرژی تولید کنند. یک سلف ایده آل به عنوان تلفات کمتر طبقه بندی می شود، به این معنی که می تواند انرژی را به طور نامحدود ذخیره کند زیرا انرژی از دست نمی رود.

با این حال، سلف‌های واقعی همیشه مقداری مقاومت مرتبط با سیم‌پیچ‌های سیم‌پیچ را خواهند داشت و هر زمان که جریان از طریق یک مقاومت جریان می‌یابد، انرژی به شکل گرما به دلیل قانون اهم از دست می‌رود، (P = I 2 R) بدون توجه به  متناوب ^بودن  جریان  . یا ثابت

سپس استفاده اولیه از سلف ها در فیلتر کردن مدارها، مدارهای تشدید و برای محدود کردن جریان است. یک سلف را می توان در مدارها برای مسدود کردن یا تغییر شکل جریان متناوب یا طیفی از فرکانس های سینوسی استفاده کرد و در این نقش می توان از یک سلف برای “تنظیم” یک گیرنده رادیویی ساده یا انواع مختلف نوسانگرها استفاده کرد. همچنین می تواند از تجهیزات حساس در برابر افزایش ولتاژ مخرب و جریان های هجومی بالا محافظت کند.

در آموزش بعدی در مورد سلف ها، خواهیم دید که مقاومت مؤثر یک سیم پیچ القایی نامیده می شود و آن اندوکتانسی که همانطور که اکنون می دانیم ویژگی یک هادی الکتریکی است که “مخالف تغییر جریان” است، می تواند داخلی باشد. القایی، که خود القایی یا القایی خارجی نامیده می شود، که القاء متقابل نامیده می شود.