آزمایش اندازه گیری نیروی محرکه القایی تولید شده در سیم لوله با میدان متغیر

تئوری آزمایش

ولتاژ و جریانی که در اثر تغییرات میدان مغناطیسی حاصل می­شود نیروی محرکه و جریان القایی نامیده می­شود و پدیده­ای که منجر به تولید این کمیت­ها می­باشد القای الکترومغناطیسی نامیده می­شود. اگر حلقه رسانایی درون میدان مغناطیسی B قرار گیرد شار مغناطیسی که از درون این حلقه می­گذرد عبارت است از:

(1)

که در این رابطه A مساحت حلقه است. در اینجا فرض شده است که سطح حلقه بر میدان مغناطیسی عمود است.

اگر میدان B ثابت بماند شار  ثابت می­ماند. وقتی که میدان مغناطیسی و در نتیجه شار گذرنده از درون سیم­پیچ با زمان تغییر کند، نیروی محرکه و در اثر آن جریان القایی در سیم­پیچ ایجاد می­شود. بزرگی و جهت آن بر اساس قانون فارادی عبارت است از:

(2)

هر گاه سیم­پیچ از N1 حلقه تشکیل شده باشد آنگاه خواهیم داشت:

(3)

 و به این ترتیب در می­یابیم که می­توان با تغییر میدان مغناطیسی جریان القایی تولید کرد.

وقتی که جریان I در سیم­پیچ بزرگ بر قرار باشد میدان مغناطیسی حاصل از عبور جریان I که در درون سیم­پیچ بزرگ ایجاد می­شود عبارت است از:

(4)

در این رابطه N2 تعداد دورهای سیم لوله بزرگ و L طول آن است و  ضریب نفوذ پذیری میدان مغناطیسی است.

در این آزمایش از سیم­پیچ بزرگ به عنوان مولد میدان مغناطیسی اولیه استفاده می­شود که با عبور جریان متغیر با زمان I(t)، در درون آن می­توان یک میدان متغیری ایجاد کرد. جریان متغیر در این آزمایش توسط یک منبع تغذیه که می­تواند یک تابع موج مثلثی ایجاد کند تأمین می­شود و می­توان خروجی آن را کنترل کرد. این دستگاه می­تواند در بازه 2/0 تا 2/2 آمپر بر ثانیه کار کند.

نیروی محرکه U القا شده هر یک از این سیم­پیچ­ها از رابطه زیر به دست می­آید.

(5)

بنابراین نیروی محرکه القایی با آهنگ تغییر جریان  متناسب است.

شرح آزمایش

آزمایش اول: نیروی محرکه القایی بر حسب تابعی از سطح مقطع

خروجی منبع نزدیک 3 آمپر و آهنگ تغییر جریان روی 1 آمپر بر ثانیه قرار داده شد. سپس دکمه ON/OFF فعال شد و به کمک نرم افزار Cassy تغییرات جریان در سیم­پیچ اولیه و نمودار تغییرات ولتاژ در سیم­پیچ ثانویه استخراج شدند و در بازه­های مناسب رسم گردیدند.

نتایج زیر برای هر یک از سیم­پیچ­ها در جدول زیر ثبت گردیدند.

جدول1

	U (V)	Imax	سطح مقطع سیم­پیچ
008/1	297/0	901/2	50×50
009/1	1555/0	919/2	50×30
006/1	1125/0	9085/2	50×20

آزمایش دوم: ولتاژ القایی به صورت تابعی از تعداد حلقه­ها

در این آزمایش از سیم­پیچی با مقطع 50×50 میلیمتر که دو دسته با سیم­پیچ با دورهای 100 دور و 200 دور دارد استفاده شد. در هر مرحله یکی از آنها مورد استفاده قرار گرفتند. در این حالت جریان خروجی مولد نزدیک 3 آمپر و  بر روی 1 آمپر بر ثانیه قرار داده شد.

نتایج در جدول2 آورده شده­اند.

جدول2

	U	Imax	تعداد دور سیم­پیچ
008/1	097/0	892/2	100
005/1	197/0	913/2	200
008/1	297/0	901/2	300

آزمایش سوم: ولتاژ القایی به صورت تابعی از فرکانس تغییرات میدان

از آنجایی که میدان مغناطیسی توسط جریان گذرنده از سیم­پیچ بزرگ تأمین می­شود و این جریان از منبع موج مثلثی به دست می­آید با تغییر میدان می­توان نیروی محرکه القا شده در سیم­پیچ ثانویه را تغییر داد. در این حالت از سیم­پیچ با مقطع 50×50 میلیمتر با 300 دور استفاده شد. آزمایش با فرکانس­های مختلف تکرار شد و نتایج در جدول 3 ثبت شدند.

جدول3

U	Imax
22/0	9145/2	8/0
29/0	901/2	1
34/0	892/2	2/1
47/0	8905/2	6/1

رسم نمودار ولتاژ بر حسب سطح مقطع (داده­های جدول 1):

رسم نمودار ولتاژ بر حسب تغییرات تعداد دور سیم­پیچ ثانویه (داده­های جدول 2):

رسم نمودار ولتاژ بر حسب  (داده­های جدول3):

به دست آوردن رابطه 5: