سلف چیست؟
سلف یک قطعه الکتریکی غیرفعال است که از یک سیم پیچ تشکیل شده است.
به دلیل استفاده از برق بین مغناطیس و الکتریسیته در نتیجه جریانالکتریکی که ازطریق سیمپیچ عبور میکند، طراحی شده است.
وقتی جریان الکتریکی از طریق رسانای سیمی عبور میکند، شار مغناطیسی حول آن رسانا ایجاد میشود.
این اثر، رابطهای بین جهت شار مغناطیسی ایجادمیکند، که حولمحور هادی جریان مییابد،و جهت جریان ازطریق همان هادی جریان مییابد.
این امر منجر به رابطه بین مسیر شار مغناطیسی و جریان نامیده میشود که “قاعده دست راست Fleming” نامیده میشود.
اما یک ویژگی مهم دیگر مربوط به یک سیمپیچ زخم نیز وجود دارد که در آن یک ولتاژ ثانویه با حرکت شار مغناطیسی ناشی میشود و یا در مقابل هرگونه تغییر درجریانالکتریکی جاری مقاومت میکند.
درابتداییترین شکل خود، یک سلف چیزی جز سیمپیچ دراطراف هسته مرکزی نیست.
دربیشتر سیمپیچ ها جریان(i)که ازطریق سیمپیچ جریان دارد،یک شار مغناطیسی ایجاد میکند ،(NΦ)دراطراف آن که متناسب با این جریانالکتریکی است.
یک Inductor، که به آن چوک نیز گفته میشود،یکی دیگر از اجزایالکتریکی ازنوع منفعل است که از سیمپیچ تشکیل شدهاست.
که با القاء یک میدانمغناطیسی درخود یا درونهسته آن به عنوان یکنتیجه ازجریان در سیمپیچ ، ازاین رابطه استفاده میکند.
تشکیل سیمپیچ به داخل سلف باعث میشود میدانمغناطیسی بسیارقویتری نسبت به نمونه که توسط یک سیمپیچ ساده تولیدمیشود، بوجود آید.
inductors با سیم محکم دوریکهستهمرکزی تشکیل میشوند که میتواند یکمیله استوانهای یا یک حلقه پیوسته برای متمرکزکردن شارمغناطیسی آنها باشد.
نمودار شماتیک یک سلف ناشی از یک سیمپیچ است، بنابراین یک سیمپیچ را نیز می توان یک سلف نامید.
سلف ها معمولاً با توجه به نوع هسته داخلی که در آن پیچیده می شوند طبقه بندی می شوند.
* به عنوان مثال:
- هسته توخالی (هوای آزاد)
- هسته آهنی جامد
- هسته هیدروکسید آهن نرم با انواع مختلف هسته با افزودن خطوط موازی مداوم یا نقطهدار در کنار سیم پیچ سیم
مطابق شکل زیر:
نماد سلف
جریان، i که از طریق یک سلف روان میشود، شار مغناطیسی تولید میکند که متناسب با آن است.
برخلاف یکخازن که با تغییرولتاژ درصفحات آنها مخالفت میکند،سلف نسبت به نرختغییر جریان ازطریق آن باتوجه بهایجاد انرژیالقاشده درمیدانمغناطیسی،مخالف است.
به عبارتدیگر،سلف در مقاومت یا مخالفت با تغییرات جریان مقاومت میکند،اما به راحتی جریان مستقیم جریان مستقیم را منتقل میکند.
این توانایی برایمقاومت دربرابر تغییرات درجریان و نیزجریان مربوط به پیوند شارمغناطیسی آن، i به عنوان ثابت تناسب،Inductance نامیده میشود.
نماد L با واحدهای هنری، (H)بعد از جوزف هنری به آن نسبت داده میشود.
ازآنجا که هنری به خودیخود یکواحد استقرایی نسبتاً بزرگ است،برای سلفهای کوچکتراز زیر واحدهای هنری برای بیانارزش آناستفاده می شود.
مثلا:
*پیوند های ظرفیت القاء مغناطیسی
| Prefix | Symbol | Multiplier | Power of Ten |
| milli | m | 1/1,000 | 10-3 |
| micro | µ | 1/1,000,000 | 10-6 |
| nano | n | 1/1,000,000,000 | 10-9 |
بنابراین برای نمایش زیر واحد های هنری به عنوان نمونه از آنها استفاده خواهیم کرد:
1mH = 1 milli-Henry
که برابر با یک هزارم (1/1000) یک هنری است.
100μH = 100 micro-Henries
که برابر با 100 میلیونم (1 / 1،000،000) یک هنری است.
سلف ها یا کویل ها در مدارهایالکتریکی بسیار متداول هستند و عوامل زیادی وجود دارد که القاء سیم پیچ مانند:
شکل سیم پیچ
تعداد چرخش سیم عایق
تعداد لایه های سیم
فاصله بین چرخش را تعیین می کند.
همچنین نفوذپذیری مواد هسته ، اندازه یا سطح مقطع هسته و غیره ، برای نامگذاری چند مورد.
یک سیم پیچ سلف دارای ناحیه هسته مرکزی است، (A) با تعداد ثابت چرخش سیم در طول واحد ، (l).
بنابراین اگر یک سیمپیچ N با مقدار شارمغناطیسی متصل باشد، درآن زمان سیمپیچ دارای پیوند شار مغناطیسی NΦ درجریان است.
(i)که از میان سیمپیچ عبور میکند شار مغناطیسی القا شده را در جهت مخالف جهت جریان تولید میکند.
سپس براساس قانونفارادی، هر تغییر در این پیوند شارمغناطیسی یک ولتاژ القا شده را در یک سیمپیچ واحد تولید میکند:
*جایی که:
N تعداد چرخش است
A سطح مقطع در متر مربع است
Φ مقدار شار در Webers است
μ نفوذپذیری ماده اصلی است
l طول سیم پیچ در متر است
di / dt نرخ تغییرات جریان در آمپر در ثانیه است
یک میدان مغناطیسی متغیر ، ولتاژ را متناسب با میزان تغییر جریان تولید می کند و آن را با یک مقدار مثبت نشان می دهد که نشان دهنده افزایش emf و مقدار منفی است که نشان دهنده کاهش در emf است.
معادله مربوط به این ولتاژ ناشیازخود،جریانواندوکتانس را میتوان با جایگزینکردن the / L بااشاره به ثابتکردن ضریب متناسببودن سیمپیچ بدستآورد.
رابطه بین شار در سلف و جریان که از طریق سلف جریان می یابد به این شرح است: NΦ = Li.
ازآنجا که سلف از سیمپیچ سیمهایرسانا تشکیل شدهاست،این معادله فوق را کاهش میدهد تا emf خود ناشی ازآنرا ایجاد کند.
که گاهی اوقات به عنوان emf پشتی ناشی از سیم پیچ نیز گفته می شود.
برگشت EMF توسط یک سلف تولید می شود
جایی که: L خود استقرا است و سرعت تغییر جریان را تغییر می دهد.
بنابراین ازاین معادله میتوانیم بگوییم که “میزان emf ناشی ازخود=اندوکتانس تغییرجریان x” و یک مدارالقایی از یک جریان دارد.
وقتی جریان درمدار تغییرکند ، یک هنری از یک ولت ناشی از یک ولت ایجاد میکند. با سرعت یک آمپردرثانیه.
*یک نکته مهم که باید در مورد معادله بالا ذکر شود:
تنها نیروی الکترو موتوری تولید شده در طول سلف به تغییرات در جریان مربوط میشود.
زیرا اگرجریان سلف ثابت باشد وتغییر نکند،ولتاژ emf القا شده صفر خواهدبود، زیرا نرخآنی تغییرجریان صفر است di/dt = 0.
با جریان ثابت جریان مستقیم در سلف و در نتیجه ولتاژ القا شده در سرتاسر آن، سلف به عنوان یک مدار کوتاه برابر با یک تکه سیم عمل میکند، یا حداقل مقاومت به مقدار بسیار کم.
به عبارت دیگر، مخالفت با جریان ارائهشده توسط یک سلف بسیار متفاوت از مدارهای AC و DC است.
*ثابت زمان یک سلف
اکنون می دانیم که جریان نمی تواند بطور لحظه ای در سلف تغییر کند.
زیرابرای اینکه این اتفاق بیفتد، جریان باید با زمانمحدود درزمان صفر تغییرکند و این باعث میشود نرختغییر جریان نامحدود باشد.
di / dt = ∞
ولتاژ نامحدود و ولتاژ بی نهایت وجود ندارد.
اما، اگر جریان ازطریق سلف بسیارسریع تغییر کند، مانند عملکرد سوئیچ، میتوان ولتاژهای بالایی را در سیمپیچ سلف ایجاد کرد.
مدار سلف را از سمت راست در نظر بگیرید.
با باز کردن سوئیچ ، (S1) ، هیچ جریانی از طریق سیم پیچ سلف جریان نمی یابد.
ازآنجا که هیچ جریانی ازطریق سلف جریان نمییابد، میزان تغییر جریان (دی / دسی بل) در سیم پیچ صفر خواهدبود.
اگر سرعت تغییرجریان صفر باشد، هیچ emf ناشی ازآن وجود ندارد، (VL = 0) در سیم پیچ سلف.
اگراکنون سوئیچرا ببندیم، یک جریان ازطریق مدارجریان مییابد وبه آرامی بهحداکثر مقدارخود با سرعت تعیینشده توسط القاء سلف بالا میرود.
این میزان جریان ازطریق سلف ضرب شده توسط سیمپیچ در هنری،منجربه تولید مقادیر خودایمنی ناشی از مقدارثابت درسراسر سیمپیچ میشود.
همانطور که در معادله فارادی تعیین شده است ، VL = Ldi / dt.
این emf ناشی از سیمپیچ،(vl)با ولتاژ اعمالشده مقابله میکندتا زمانی که جریانبهبالاترین مقدارخودبرسد و یک وضعیت حالت پایدار بدست آید.
جریان که در حال حاضر از سیمپیچ عبور میکند تنها با مقاومت DC و یا “خالص” سیمپیچ رسانا بستگی دارد.
زیرا مقدار مقاومت سیمپیچ به صفر کاهشیافته است زیرا نرخ تغییر جریان (di / DT)در حالت پایدار صفر است.
به عبارت دیگر تنها مقاومت DC سیمپیچ در حال حاضر برای مخالفت با جریان موجود است.
*به همین ترتیب :
اگر سوئیچ (S1) باز شود ، جریان جاری شده از طریق سیم پیچ شروع به ریزش می کند.
اما سلف مجدداً با این تغییر مبارزه میکند وسعی میکند جریان را با القای ولتاژ درجهتدیگر، درمقدار قبلی خود نگهدارد.
شیب سقوط منفی خواهد بود و مربوط به القاء سیم پیچ همانطور است که در زیر آمده .
جریان و ولتاژ در یک سلف
این که چه مقدار ولتاژ القایی توسط سلف تولید می شود بستگی به میزان تغییر جریان دارد.
قانون لنز در آموزش ما در مورد القای الکترومغناطیسی اظهار داشت:
“جهت یك Emf مستقیم به گونهای است كه همواره با تغییر و تحولاتی كه باعث ایجاد آن میشود مخالف است.”
به عبارتدیگر، یک emf القا شده همواره حرکت یا تغییر را انتخاب میکند که باعث میشود emf القاشده درالویتاول باشد.
بنابراین با کاهش جریان، قطبیت ولتاژ به عنوانمنبع عمل میکند وبا افزایش جریان،قطبیت ولتاژ به عنوان یک بار عمل میکند.
بنابراین برای همان سرعت تغییر جریان از طریق سیمپیچ، یا افزایش یا کاهش بزرگی emf ناشی ازآن یکسان خواهد بود.
*مثال self شماره 1
جریان مستقیم در حالت پایدار 4 آمپر از طریق سیم پیچ برقی 0.5H عبور می کند.
اگر سوئیچ درمدارفوق برای10mSبازشود و جریان جاری ازطریق سیمپیچ به آمپرصفر کاهش یابد، ولتاژ emf برگشتی درسیمپیچ چه میتواند باشد؟
*قدرت در یک سلف
ما می دانیم که یک سلف در یک مدار با جریان جریان مخالف است .
(i) از طریق آن زیرا روند این جریان باعث ایجاد یک Emf میشود که با آن مخالف است، قانون لنز.
سپس کار باید توسط منبع باتری خارجی انجام شود تا جریان در برابر این Emf القا شود.
قدرت لحظهای مورداستفاده در مجبورکردن جریان، (i)در برابر این EMF ناشی از خود، (VL) از بالا به این شرحداده میشود:
قدرت در یک مدار به شرح زیر است ، P = V * I:
یک سلف ایدهآل فقط مقاومت دربرابر القایی ندارد بنابراین R= 0 Ω است وبنابراین هیچ نیرویی در سیمپیچ ازبین نمیرود.
بنابراین می توان گفت که یک سلف ایده آل دارای توانایی از دست دادن قدرت صفر است.
انرژی در یک سلف
هنگامی که انرژی به درون سلف جریان می یابد ، انرژی در میدان مغناطیسی آن ذخیره می شود.
هنگامی که جریان از طریق سلف در حال افزایش است و مقدار D / dt از صفر بیشتر می شود ، قدرت آنی در مدار نیز باید از صفر بیشتر باشد (P> 0) یعنی مثبت ، وقتی مثبت است به این معنی که انرژی در سلف ذخیره می شود.
به همین ترتیب :
اگر جریان از طریق سلف در حال کاهش است و D / dt کمتر از صفر است ، باید قدرت آنی نیز کمتر از صفر باشد ، (P <0) یعنی منفی ، یعنی اینکه سلف در حال بازگشت انرژی به مدار است.
سپس با ادغام معادله قدرت فوق، کل انرژی مغناطیسی که همیشه مثبت است، در سلف ذخیره میشود بهشرح زیر است:
*انرژی ذخیره شده توسط یک سلف
جایی که: (W) ژول است ، (L) هنری و (I) آمپر.
انرژی در حقیقت درداخل میدان مغناطیسی قرار میگیرد که توسط جریان جاری شده در درون آن سلف را احاطه میکند.
دریک سلف ایدهآل که مقاومت یا خازنی نداشتهباشد، چون روند جریان انرژی را به داخل سلف افزایش میدهد و در داخل میدانمغناطیسی آن بدون از بین رفتن در آن ذخیره میشود، تا زمانی که جریان کاهش نیابد و میدانمغناطیسی فرونپاشد، آزاد نمیشود.
سپس در یک جریان متناوب، مدار AC یک سلف دائماً در هر چرخه در حال ذخیره و انتقال انرژی است.
اگر جریان از طریق سلف مثل مدارDC ثابت باشد، در انرژی ذخیره شده به عنوان
P = Li (di / dt) = 0
تغییری ایجاد نمیشود.
سلفها را میتوان به عنوان اجزای غیرفعال تعریف کرد.
زیرا هم میتوانند ذخیره شوند و همانرژی را به مدارمنتقل میکنند،اما نمیتوانند انرژی تولیدکنند.
سلف ایدهآل بهعنوان تلفات کمتر طبقهبندی میشود،به این معنی که میتواند انرژی رابه طور نامحدود ذخیرهکندزیرا هیچ انرژی ازدست نمیرود.
با این حال ، سلف های واقعی همیشه دارای مقاومت در ارتباط با سیم پیچ های کویل خواهند بود .
هرگاه جریان ازطریق یک مقاومت جریان یابد :
بهدلیل قانون اهم،به صورت گرما ازدست میرود (P = I2 R)صرفنظر ازاینکه جریان متناوب است یا مقدارثابت.
سپس استفاده اصلی برای سلف ها در فیلترهای مدار ، مدارهای رزونانس و برای محدود کردن جریان است.
میتوان ازسلف در مدارها برای مسدودکردن یا تغییر شکل مجدد جریان متناوب یا طیف وسیعی از فرکانس های سینوسی استفاده کرد .
در این نقش از یک سلف برای تنظیم “گیرنده رادیویی ساده یا انواع مختلف نوسان ساز استفاده میشود.
همچنین می تواند از تجهیزات حساس در برابر سنگرهای ولتاژ مخرب و جریانهای پر فشار محافظت کند.
در برنامه آموزشی بعدی درباره سلف ها، خواهیم دید که مقاومت موثر یک سیمپیچ اندوکتانس نامیده میشود، و اندوکتانس که همان طور که میدانیم مشخصه یک هادی الکتریکی است که “با تغییر در جریان مخالف است”، یا به صورت داخلی القا میشود که به آن خودالقایی میگویند و یا به صورت خارجی القا میشود که به نام القای متقابل نامیده میشود.