یک اجاق القایی عمدتاً از یک سیمپیچ تشکیل شده است که توسط جریان متناوب هدایت میشود و یک تابه فلزی بالای آن را گرم میکند. در این آزمایش، فیزیک یک اجاق القایی را بررسی خواهیم کرد.
این آزمایش سه بخش دارد. در مرحله اول، ضریب خودالقایی سیمپیچ ($L$ ) و مقاومت سیم پیچ ($R_L$ ) را اندازهگیری میکنیم. در مرحله دوم، پدیده عمق نفوذ در فلزات را که برای اجاق القایی مهم است، بررسی خواهیم کرد. در مرحله سوم، ظرفیت گرمایی ویژه ($c$ ) نمونه های فلزی مختلف و مقاومت بار مؤثر آنها ($R_{\mathrm{LOAD}}$ ) را تعیین می کنیم.
پارامتر/ثابت نماد مقدار استفان-بولتزمن $\sigma_s$ $5.670\times10^{-8}\:{\rm W\:m^{-2}K^{-4}}$ نفوذپذیری مغناطیسی خلاء $\mu$ $4\pi\times10^{-7}\: {\rm H/m}$ چگالی جرمی آلومینیوم $\rho_{\textrm{Al}}$ $2700 \, \mathrm{kg/m^3}$ چگالی جرمی SS410 $\rho_{\textrm{SS410}}$ $7700 \, \mathrm{kg/m^3}$ ضریب درخشندگی آلومینیوم (Al) $e_{\textrm{Al}}$ 0.65 ضریب درخشندگی SS410 $e_{\textrm{SS410}}$ 0.8
توجه:
اولین قطعه اساسی در اجاق القایی، سیمپیچ است. در این آزمایش، ما خودالقایی ($L$ ) سیمپیچ شماره ۱ (سیمپیچ بالایی) را همان طوری که در شکل 3b نشان داده شده است اندازه گیری می کنیم. این سیمپیچ را میتوان به عنوان یک خودالقای ایدهآل $L$ که به صورت سری با مقاومت داخلی سیمپیچ$R_L$ مدلسازی کرد.
ما از یک مدار RLC سری با مقاومت فلزی زرد$R_1$ ، سیمپیچ شماره ۱ و یک خازن استفاده خواهیم کرد. چهار خازن مختلف وجود دارد. حتماً توجه داشته باشید که ولتاژ خروجی فانکشن ژنراتور (FG) ممکن است با تغییر فرکانس و همچنین تغییر امپدانس بار، تغییر کند.
توجه:
الف) القای متقابل
در آزمایش شماره ۲، از دو سیمپیچ مطابق شکل ۴ اما بدون هیچ صفحه فلزی استفاده خواهیم کرد. ابتدا، القای متقابل $M$ بین دو سیمپیچ را اندازهگیری خواهیم کرد. مطابق قانون فارادی، تغییر جریان در سیمپیچ اول، ولتاژی را در سیمپیچ دوم القا میکند.
ب) آزمایش عمق نفوذ
مفهوم «عمق نفوذ» نقش مهمی را در اجاق القایی ایفا میکند. این کمیت با مقدار طولی که میدان الکترومغناطیسی القا شده با جریان متناوب (AC) در فلز نفوذ می کند مشخص میشود. در این آزمایش، عمق نفوذ فلزات مختلف اندازه گیری می شود. در این بخش، هدف تعیین وابستگی عمق نفوذ به فرکانس و رساندگی الکتریکی ($\sigma$ ) فلزات مورد نظر است.
برای سادگی، سیمپیچ شماره ۱ را به عنوان سیمپیچ اصلی و محرک و سیمپیچ شماره ۲ را به عنوان سیمپیچ ثانویه در نظر بگیرید. از آنجایی که ضخامت کل صفحات فلزی ($\sim 3 \, \mathrm{mm}$ ) در مقایسه با فاصله بین دو سیمپیچ ($15 \, \mathrm{mm}$ ) کوچک است میتوان میدان مغناطیسی را در فضای خالی نزدیک سیمپیچ ثانویه، ناحیه ای که در آن فلزی وجود ندارد تقریباً ثابت فرض کرد.
مطابق معادلات ماکسول، وقتی یک میدان الکتریکی یا میدان مغناطیسی نوسانی به یک فلز نفوذ میکند، میدان درون فلز به صورت نمایی با فاصله $z$ (طول طی شده در فلز ) نفوذ کاهش مییابد:
$$B(z)= B_0\: e^{-z/\delta}\:\cos (\omega t - z/\delta + \phi)$$
به طوری که $B_0$ دامنه میدان مغناطیسی قبل از نفوذ به رسانا است،$\delta$ «عمق نفوذ» و$\phi$ فاز است. توجه: در این آزمایش از ضریب فاز $(-z/\delta+\phi)$ چشم پوشی کنید.
عمق نفوذ در یک فلز به صورت زیر داده میشود:
$$\delta = \sqrt{\frac{\sigma^m f^n}{\pi \mu}}$$
به طوری که $\sigma$ رسانندگی الکتریکی،$f$ فرکانس، $\mu$ نفوذپذیری مغناطیسی،$m$ و$n$ اعداد صحیح هستند که در این آزمایش تعیین میشوند.
آزمایشها بر روی چهار فلز مختلف انجام می شود: (1) آلومینیوم، (2) مس، (3) فولاد ضد زنگ "SS304" و (4) فولاد ضد زنگ "SS410". با قرار دادن فلزات بین سیمپیچها، ولتاژ در سیمپیچ ثانویه به دلیل تضعیف میدان مغناطیسی در فلزات کاهش مییابد.
توجه: ابتدا محدوده مناسب فرکانسهایی را که القای قابل توجهی در ولتاژ سیمپیچ ثانویه ایجاد میکنند، بررسی کنید.
با طراحی یک آزمایش و بیان معادلات حاکم بر آن، روشی برای تعیین $n$ هر فلزی ارائه کنید. برای هر کدام از چهار فلز مورد نظر آزمایش را انجام دهید. داده های اندازه گیری شده را در جدول بیاورید و سپس آن را رسم کنید. با استفاده از برازش خطی برای هر فلز، مقادیر $n$ و$\sigma$ را به دست آورید. (مقادیر $n$ را به نزدیکترین عدد صحیح گرد کنید)
فلزی را که به دلیل عمق نقوذ بسیار زیاد نتیجه مطلوبی نمی دهد را شناسایی و در پاسخنامه تیک بزنید. در بخش های Q2.5 و Q2.6 این فلز کاربردی ندارد.
یادداشتها:
در این آزمایش ما از آلومینیوم و فلز SS304 به عنوان «تابه» استفاده خواهیم کرد. ابتدا «تابه» آلومینیومی (مورد شماره ۱۱ در شکل شماره 2) را روی سیم پیچ شماره 1 قرار دهید. با کمک قطعات پلاستیکی موجود و پیچ های داده شده آن را روی سطح بالایی محکم کنید و سپس آن را مطابق شکل ۵ وارونه کرده و بر روی سیم پیچ شماره 2 قرار دهید. در اینجا شما از سیمپیچ شماره ۲ استفاده خواهید کرد که به خوبی با «تابه» فاصله دارد، به طوری که هیچ انتقال حرارتی بین آنها از طریق رسانش وجود ندارد.
دستگاه را داخل جعبه توخالی (مورد شماره ۸) قرار دهید تا اتلاف همرفتی ناچیز باشد. از آنجایی که «تابه» روی یک سکوی پلاستیکی (عایق حرارتی) قرار دارد، فرض میکنیم که هیچ اتلاف حرارتی، ناشی از رسانش وجود ندارد. بنابراین تنها اتلاف حرارتی ناشی از تابش به محیط اطراف است. توان تابشی یک جسم با دما$T$ به صورت زیر داده میشود:
$$P_{RAD}=e A \sigma_S T^4$$
به طوری که $e$ ضریب درخشندگی ،$\sigma_S$ ثابت استفان-بولتزمن و A مساحت سطح تابشی است.
دمای «تابه» را با اندازهگیری مقاومت NTC (که به آن متصل است) می توان اندازهگیری کرد. رابطه مقاومت NTC با دما به صورت زیر است:
$$R_{NTC}=R_0\:\exp{[B(1/T-1/T_0)]}$$
به طوری که $R_0 = 10 \, \mathrm{k}\Omega$ مقاومت در دمای اتاق $T_0 = 25 \, ^{\circ}\mathrm{C}$ است. در این رابطه، $B = 3950 \, \mathrm{K}$ یک مقدار ثابت و$T$ دمای NTC (بر حسب کلوین) است.
در انتها، ما می توانیم گرمایش «تابه» فلزی را به صورت گرمای تولید شده در یک «مقاومت بار» $R_{\mathrm{LOAD}}$ ، مطابق شکل 6 در خطر بگیریم. به عبارت دیگر، سیستم سیم پیچ و تابه فلزی را میتوان به صورت یک مدار سری خودالقای سیم پیچ $L$، مقاومت سیم پیچ$R_L$ و "مقاومت بار"$R_{\mathrm{LOAD}}$ مدل کرد.
D.1. فانکشن ژنراتور
اجزا:
D.2. اسیلوسکوپ
۱. عملکردهای دکمه ها
۲. حالت اندازهگیری اسیلوسکوپ :
در حالت اسیلوسکوپ، دستگاه فقط ولتاژ را اندازهگیری میکند و شکل موج را به صورت تابعی از زمان نمایش میدهد. این حالت میتواند سیگنال ولتاژ را تا فرکانس $1 \, \mathrm{MHz}$ اندازهگیری کند.
۳. حالت اندازهگیری مولتیمتر :
در حالت مولتیمتر، این دستگاه برای اندازهگیری پارامترهای الکتریکی مانند ولتاژ و مقاومت استفاده میشود. در حالت ولتمتر AC، مقادیر عددی را تا 4 رقم معنیدار ارائه میدهد.
۴. عملکردهای اضافی
۵. شارژ کردن اسیلوسکوپ
برای اطمینان از اینکه دستگاه همیشه آماده استفاده است، حواستان به شارژ باتری باشد.