Σημειώσεις/ Συχνές ερωτήσεις

Απαντήσεις σε ερωτήσεις σπουδαστών

1. Αρχές Ηλεκτρομαγνητισμού - Ηλεκτρομηχανική Μετατροπή Ενέργειας
- Τι είναι το διάνυσμα D (βλ. βίντεο πρώτου μαθήματος θεωρίας) και γιατί είναι μηδέν, σύμφωνα με την απλοποίηση Maxwell - Lorentz;
Απάντηση:
Το D (μονάδες Αs/m^2) ονομάζεται ρεύμα μετατόπισης και βρίσκεται στις ηλεκτρομαγνητικές εξισώσεις του Maxwell. Δεν θα ασχοληθούμε εμείς με αυτό. Ωστόσο, παρατίθενται κάποια σύντομα σχόλια: το ρεύμα μετατόπισης το συναντάμε όταν έχουμε εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία, εμείς όμως εδώ το αμελούμε για το λόγο του ότι τα μαγνητικά πεδία είναι πιο ισχυρά από τα ηλεκτρικά/ ηλεκτροστατικά, αλλά και διότι γενικότερα δεν ασχολούμαστε εδώ με τέτοια πεδία. Εάν το ρεύμα μετατόπισης είναι μηδέν, τότε ο νόμος του Gauss δηλώνει ότι το καθαρό φορτίο κάποιου όγκου είναι μηδέν. Αυτά είναι εκτός αντικειμένου του μαθήματος αυτού. Περισσότερα και σε βάθος, εάν ενδιαφέρουν οι εξισώσεις αυτές, μπορούν να βρεθούν σε βιβλία θεωρητικής Φυσικής.

- Το διάκενο γενικά είναι υποχρεωτικό σε έναν πυρήνα; Γιατί χρειαζόμαστε διάκενο;
Απάντηση:
Το διάκενο υπάρχει στις εφαρμογές που εξετάζουμε, είτε λόγω της περιστροφής του δρομέα (π.χ. σε έναν κινητήρα) είτε, σε απλές εφαρμογές, για να έλξει ένα υλικό κάποιο άλλο (π.χ. βλ. ρελέ κ.λπ.). Ασφαλώς, υπάρχουν και πυρήνες χωρίς διάκενα.

- Γιατί στη θεωρία αναφέρεται ως υλικό ο μαλακός σίδηρος; Ποιά η διαφορά με τον απλό σίδηρο, ή πιο σωστά, τί διαφορετικό έχει ο μαλακός;
Απάντηση:
Ο μαλακός σίδηρος υπερτερεί έναντι του (σκληρού) σιδήρου σε ορισμένες μαγνητικές ιδιότητες, γι' αυτό και τον προτιμούμε στην πράξη. Συγκεκριμένα, ο μαλακός σίδηρος μπορεί και απομαγνητίζεται πλήρως άμεσα όταν απομακρυνθεί ένα μαγνητικό πεδίο από κοντά του, το οποίο τον είχε μαγνητίσει προηγουμένως. Επιπλέον, έχει την ιδιότητα να επαναφέρει πλήρως, στην αρχική θέση τα μόριά του κατά την απομαγνήτιση. Αυτό είναι πολύ σημαντικό στις εφαρμογές που μας ενδιαφέρουν εδώ, διότι δεν δημιουργούνται παραμένουσες τάσεις στο υλικό. Αντίθετα, ο (σκληρός) σίδηρος δεν παρουσιάζει αυτές τις ιδιότητες.

- Για το εικονιζόμενο κύκλωμα (πατήστε για μεγέθυνση):
(i) Γιατί η ροή δεν διακλαδίζεται καθώς περνά από τον πείρο στο τεφλόν και από εκεί στον πυρήνα και ακολουθεί μόνο την προς τα αριστερά διαδρομή (υποθέτοντας πως η μέση γραμμή ξεκινάει την πορεία της στον πείρο);
(ii) Το εμβαδόν της παράπλευρης επιφάνειας που τέμνει η μέση γραμμή γιατί είναι π*d*x και όχι (π*d*x)/2 εφόσον μελετάμε μόνο την προς τα αριστερά πορεία;
Απάντηση:
Η διάταξη αυτή είναι βασικά ένας κύλινδρος με μία κυλινδρική οπή στο κέντρο, όπου κινείται ο πείρος. Υπάρχει δηλαδή συμμετρία εκ περιστροφής. Το σχήμα δείχνει τον κύλινδρο σε τομή μέγιστης διαμέτρου. Από τον πείρο "αναβλύζουν" άπειρες γραμμές που ανοίγουν στο επάνω μέρος και περνούν στον πυρήνα, όπως θα έκανε ένα κατακόρυφο συντριβάνι νερού. Όλες οι γραμμές είναι ίδιες και κλειστές, αφού στο κάτω μέρος περνούν πάλι στον πείρο. Στο σχήμα φαίνονται δύο γραμμές μόνο. Αντί να μελετήσουμε κάθε γραμμή που περνάει από μία στοιχειώδη παράπλευρη επιφάνεια με ύψος x και παράπλευρο μήκος d/2*dφ, δηλ. από επιφάνεια dΑ = x*d/2*dφ, όπου dφ είναι μια μικρή γωνία όπως φαίνεται σε κάτοψη, παίρνουμε μία από αυτές τις γραμμές, στην οποία όμως αντιστοιχεί η συνολική παράπλευρη επιφάνεια που είναι το ολοκλήρωμα της προηγούμενης, δηλ. Α = x*π*d. Άρα δεν υπάρχει αριστερή και δεξιά πορεία, αλλά ή μία γραμμή που περνάει από τη συνολική επιφάνεια, ή άπειρες γραμμές σε παράλληλη σύνδεση, όπου η κάθε μία περνάει από την dA. (Στην περίπτωση αυτή, θα γράφαμε 1/R1(x)=integral(A)[μο*dA/g] = integral(0->2π)[μο*x*d/2*dφ/g] = μο*π*x*d/g = R1 δηλαδή το ίδιο αποτέλεσμα με αυτό που προκύπτει από τον άλλο τρόπο).

2. Γεννήτριες και Κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος
- Οι ψήκτρες είναι τα λεγόμενα καρβουνάκια;
Απάντηση:
Ναι.

- Ποιά είναι η διαφορά των αγωγών από τα τυλίγματα του δρομέα σε μία ηλεκτρική μηχανή; Ποιό από τα δύο διαρρέεται από ρεύμα και τι κάνει το καθένα;
Απάντηση:
Τα τυλίγματα είναι τα πηνιοσύρματα που έχουν τυλιχθεί γύρω από τον πυρήνα. Αγωγοί είναι τα τμήματα των τυλιγμάτων που είναι παράλληλα στον άξονα της μηχανής, αφού μόνο αυτά παράγουν τάση/ δυνάμεις. Ένα στοιχειώδες τύλιγμα έχει 2 αγωγούς σε σειρά και σχηματίζουν ένα "Π". Τα πόδια του Π είναι αγωγοί. Όλο το Π τύλιγμα.

- Πώς προκύπτει ότι, αν έχουμε Ζ αγωγούς και α παράλληλους κλάδους, τότε οι αγωγοί σε σειρά είναι Ζ/α;
Απάντηση:
Ζ είναι όλοι οι αγωγοί, δηλ. πηνιοσύρματα παράλληλα με τον άξονα της μηχανής. Ένα στοιχειώδες τύλιγμα έχει 2 αγωγούς σε σειρά. Εάν έχουμε δύο τυλίγματα παράλληλα, (δηλαδή οι ακροδέκτες τους που είναι οι άκρες των Π είναι κοινοί) τότε έχουμε επαλληλία δύο Π (δύο Π σε παράλληλη σύνδεση). Υπάρχουν συνολικά 4 αγωγοί (τα 4 πόδια των 2 Π), αλλά αφού έχουμε δύο παράλληλους κλάδους (δύο Π), τότε έχουμε 4/2 = 2 αγωγούς σε σειρά, δηλ. αυτούς τους ενός Π.

- Στους ηλεκτρομαγνήτες της γεννήτριας πώς επιτυγχάνουμε να έχουμε από τη μία μεριά νότιο πόλο και από την άλλη βόρειο πόλο; Συνδέονται με το ίδιο καλώδιο;
Απάντηση:
Ναι, το ίδιο πηνιόσυρμα τυλίγει τους πόλους. Έτσι οι μαγνητικές γραμμές έχουν φορά όπως αν υπήρχε βόρειος και νότιος πόλος. Όπως γίνεται και στα σωληνοειδή.

- Πρακτικά πώς μετατρέπεται ένας κινητήρας σε γεννήτρια;
Απάντηση:
Ένας κινητήρας μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε γεννήτρια εάν στραφεί από την πλευρά του άξονά του. Στη συνέχεια, μπορεί να μετρηθεί η τάση στα άκρα του.

- Αν τροφοδοτήσουμε με DC ρεύμα έναν κινητήρα χωρίς συλλέκτη (π.χ. χρησιμοποιώντας 2 δαχτυλίδια) πώς θα συμπεριφερθεί;
Απάντηση:
Θα κινηθεί για λίγο και θα σταματήσει για πάντα.

- Στον δρομέα γιατί βάζουμε πυρήνα (γιατί μας ενδιαφέρει να αυξήσουμε το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τα τυλίγματα); Γενικά οι ίδιοι οι πυρήνες μαγνητίζονται;
Απάντηση:
Γιατή η ροπή είναι ανάλογη της μέσης ροής ανά πόλο Φ, αλλά αυτή μειώνεται όσο μεγαλώνουν τα διάκενα. Ο πυρήνας μειώνει τα διάκενα και την ολική μαγνητική αντίσταση, άρα αυξάνει την Φ.

- Γενικά, μεγαλύτερη απόδοση έχουν οι κινητήρες ή οι γεννήτριες (και γιατί);
Απάντηση:
Οι γεννήτριες γενικά είναι μεγαλύτερες μηχανές και άρα έχουν καλύτερη απόδοση. Η σύγκριση όμως έχει σχέση με το μέγεθος και την κατασκευή και όχι με τον τύπο της ηλεκτρικής μηχανής.

- Γιατί στη γεννήτρια ξένης διέγερσης δεν προστέθηκε η Rf,τ ενώ στον αντίστοιχο κινητήρα προστέθηκε;
Απάντηση:
Στη γεννήτρια δεν ελέγχουμε στροφές σε εύρος, αυτές είναι σταθερές.

- Δεν θα μπορούσε και στις γεννήτριες να προστεθεί μία αντίσταση Rα,ε;
Απάντηση:
Βλ. και προηγούμενη ερώτηση. Το να προσθέτουμε Rα,ε είναι πλέον πολύ κακή ιδέα, προκύπτουν μεγάλες απώλειες.

- Η ρύθμιση της τάσης στις γεννήτριες γίνεται πάντα χωρίς φορτίο (πρακτικά) ή απλά θέτουμε αυτή την κατάσταση ως σημείο-μέτρο αναφοράς;
Απάντηση:
Ναι, γίνεται χωρίς φορτίο. Από εκεί και πέρα, με φορτίο η τάση μεταβάλλεται ως 10-15%.

- Θεωρητικά, εάν σε έναν αγωγό μεταβάλλεται η μαγνητική ροή μόνο κατά κατεύθυνση (όχι κατά μέτρο), στα άκρα του εμφανίζεται τάση;
Απάντηση:
Δύσκολο να συμβεί αυτό. Αλλά εάν συμβεί, τότε έχουμε ροή παλμών που είναι συνάρτηση του χρόνου, άρα θα εμφανίζεται τάση σε μορφή κρουστική (dirac) αφού v = d/dt(φ(t)).

- Η ηλεκτρομαγνητική ροπή μιας γεννήτριας δεν αντιτίθεται στην περιστροφή του δρομέα; Γιατί θεωρούμε την ισχύ που παράγει αυτή η ροπή, ίση με την ηλεκτρική ισχύ στο φορτίο;
Απάντηση:
Ο δρομέας στρέφεται από την εξωτερική κινητήρια μηχανή η οποία επιβάλλει Τ_εξωτ. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή Τ αντιτίθεται, γι' αυτό ο δρομέας στρέφεται με σταθερές στροφές (εφόσον δηλ. Σ_ροπών = Τ + Τ_εξωτ = 0).
Η τάση που αναπτύσσεται στη γεννήτρια λόγω της Η/Μ μετατροπής τροφοδοτεί το ηλεκτρικό φορτίο. Δηλ. ισχύει: Τ*ω = eα*iα.
Η μηχανική ισχύς μετατρέπεται σε ηλεκτρική, εφόσον, T = Κω*Φ*iα, (αντίθετης φοράς από ότι η Τ_εξωτ), v = Κω*Φ*ω.

3. Σύγχρονες Γεννήτριες και Σύγχρονοι Κινητήρες
- Στην περίπτωση που μία σύγχρονη γεννήτρια προορίζεται για σύνδεση με φορτίο, λαμβάνεται υπόψη η εσωτερική σύνθετη αντίσταση, η οποία συνδέεται σε σειρά με την ΗΕΔ, κι έτσι υπάρχει πτώση τάσης στην ΗΕΔ (Εα) μέχρι την τάση που λαμβάνει το φορτίο (δηλαδή την Vα). Ωστόσο, όταν συνδεθεί μία γεννήτρια στο δίκτυο και γίνει παραλληλισμός, αναφέρεται ότι η τάση της γεννήτριας (Εα) πρέπει να είναι ίση με την τάση του δικτύου (Vα). Κανονικά, και σε αυτήν την περίπτωση δεν θα έπρεπε η Εα να είναι μεγαλύτερη από την Vα, λόγω της πτώσης τάσης που έχουμε στις αντιστάσεις των καλωδίων, όπως γίνεται και στις γεννήτριες που συνδέονται με φορτίο;
Απάντηση:
Τη στιγμή του παραλληλισμού είναι Εα = Vα. Διαφορετικά, θα περάσει απότομα μεγάλο ρεύμα. Επίσης, τη στιγμή του παραλληλισμού, η γεννήτρια δεν δίνει ρεύμα. Αφού γίνει ο παραλληλισμός, μπορούμε να αλλάξουμε την ΗΕΔ και τη γωνία ισχύος, έτσι ώστε να δώσουμε ρεύμα στο δίκτυο (δηλ. πραγματική και άεργη ισχύ).