மின்காந்தத்தூண்டலும் மாறுதிசை மின்னோட்டமும்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

மின்காந்தத்தூண்டலும் மாறுதிசை மின்னோட்டமும் பற்றி

கடினம் ~180 நிமிடப் படிப்பு

மின்னோட்டம் காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகிறது என்பதை அலகு 3 இல் பார்த்தீர்கள். இந்த அலகு அதன் மறுதலைக் கேள்வியைக் கேட்கிறது: காந்தப்புலம் மின்னோட்டத்தை உருவாக்க முடியுமா? முடியும் என்று பாரடே காட்டினார். ஆனால் ஒரு சுற்றுடன் இணைந்த காந்தப்பாயம் மாறும்போது மட்டுமே இது நடக்கும். ஒரு காந்தத்தைச் சுருளை நோக்கி நகர்த்தினாலோ, அருகில் உள்ள சுருளின் மின்னோட்டத்தை இணைத்துத் துண்டித்தாலோ, மின்னியக்கு விசை (emf) தூண்டப்படுகிறது. மின் நிலையங்கள், மின்மாற்றிகள், தூண்டல் அடுப்புகள் அனைத்தும் இந்தத் தத்துவத்தில்தான் இயங்குகின்றன.

அலகின் இரண்டாம் பாதி மாறுதிசை மின்னோட்டம் (Alternating current) பற்றியது. இது குறிப்பிட்ட கால இடைவெளியில் திசையை மாற்றிக்கொள்கிறது. மின்தடையாக்கி, மின்தூண்டி, மின்தேக்கி ஒவ்வொன்றும் AC க்கு வெவ்வேறு விதமாகச் செயல்படுகின்றன. கட்ட வெக்டர் படங்கள் (Phasor diagrams) இந்தக் கட்டத் தொடர்புகளை எளிய வெக்டர் படங்களாக மாற்றுகின்றன. மின்னோட்டம் மின்னழுத்தத்தை முந்துகிறதா, பிந்துகிறதா என்பதை ஒரே பார்வையில் அறியலாம்.

இந்த அலகின் பாடநூல் வினாக்கள் லென்ஸ் விதி, சுழல் மின்னோட்டங்கள், மின்மாற்றியின் பயனுறுதிறன், RLC சுற்றின் ஒத்ததிர்வு அதிர்வெண், திறன் காரணி ஆகியவற்றைச் சோதிக்கின்றன. தூண்டலுக்கான திசை விதிகளும் தேவை. மின்மறுப்பு, மின் எதிர்ப்பு ஆகியவற்றில் கவனமான கணக்கீடும் தேவை.

நீங்கள் கற்பவை

• காந்தப்பாய மாற்றம் எப்படித் தூண்டப்பட்ட மின்னியக்கு விசையை உருவாக்குகிறது என்று விளக்குதல்.
• கொடுக்கப்பட்ட அமைப்பில் தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டத்தின் திசையை லென்ஸ் விதி மூலம் காணுதல்.
• நீண்ட வரிச்சுருளின் தன் மின்தூண்டல் எண்ணையும், ஒரே அச்சுடைய இரண்டு வரிச்சுருள்களின் பரிமாற்று மின்தூண்டல் எண்ணையும் கணக்கிடுதல்.
• மாறுதிசை மின்னோட்டத்தின் சராசரி மதிப்பையும் RMS மதிப்பையும் தருவித்தல்.
• R, L, C சுற்றுகளில் மின்னழுத்தத்துக்கும் மின்னோட்டத்துக்கும் இடையிலான கட்டத் தொடர்பை விவரித்தல்.
• தொடர் RLC சுற்றுகளில் மின்மறுப்பு, ஒத்ததிர்வு பற்றிய கணக்குகளைத் தீர்த்தல்.
• மின்மாற்றியில் ஏற்படும் ஆற்றல் இழப்புகளைக் கண்டறிந்து அதன் பயனுறுதிறனைக் கணக்கிடுதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• காந்தப்புலம், காந்தப்புலக் கோடுகள், காந்தப்பாயம்.
• ஓம் விதி மற்றும் எளிய DC சுற்றுப் பகுப்பாய்வு.
• முக்கோணவியல் சார்புகள் மற்றும் வெக்டர் கூட்டல்.

மின்காந்தத்தூண்டலும் மாறுதிசை மின்னோட்டமும் — விரிவான விளக்கம்

இந்த அலகில் என்ன படிக்கிறோம்

பாரடே விதிகளும் லென்ஸ் விதியும்

ஒரு சுற்றுடன் இணைந்த காந்தப்பாயம் மாறும்போதெல்லாம் மின்னியக்கு விசை தூண்டப்படுகிறது என்று பாரடேயின் முதல் விதி கூறுகிறது. தூண்டப்பட்ட மின்னியக்கு விசையின் எண்மதிப்பு காந்தப்பாய இணைப்பு மாறும் வீதத்துக்குச் சமம் என்று இரண்டாம் விதி கூறுகிறது. திசையை லென்ஸ் விதி தருகிறது: தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டம், தன்னை உருவாக்கும் காந்தப்பாய மாற்றத்தை எதிர்க்கும். இது ஆற்றல் மாறா விதியின் விளைவு. எதிர்க்கும் விசைக்கு எதிராகக் காந்தத்தைச் சுருளுக்குள் தள்ள நீங்கள் வேலை செய்ய வேண்டும். அந்த வேலையே மின்னாற்றலாக வெளிப்படுகிறது.

சுழல் மின்னோட்டங்கள், தன் மற்றும் பரிமாற்று மின்தூண்டல்

ஒரு திண்ம உலோகத் துண்டின் வழியே காந்தப்பாயம் மாறும்போது அதில் சுற்றிச் சுழலும் மின்னோட்டங்கள் தூண்டப்படுகின்றன. இவை சுழல் மின்னோட்டங்கள் (Eddy currents). தூண்டல் அடுப்பு, மின்காந்தத் தடை (Brake), சாவுத்துடிப்பு கால்வனோமீட்டர் ஆகியவற்றில் இவை பயன்படுகின்றன. ஆனால் மின்மாற்றி உள்ளகத்தில் ஆற்றலை வீணாக்குகின்றன. ஒரு சுருளில் அதன் சொந்த மின்னோட்டம் மாறுவதால் அதிலேயே தூண்டப்படும் மின்னியக்கு விசை தன் மின்தூண்டல் (Self-induction). இது அந்த மாற்றத்தை எதிர்க்கும். அருகில் உள்ள சுருளில் மின்னோட்டம் மாறுவதால் ஒரு சுருளில் தூண்டப்படும் மின்னியக்கு விசை பரிமாற்று மின்தூண்டல் (Mutual induction). மின்மாற்றிகள் பரிமாற்று மின்தூண்டலில் இயங்குகின்றன.

மாறுதிசை மின்னியற்றியும் மின்மாற்றியும்

மாறுதிசை மின்னியற்றி (AC generator) காந்தப்புலத்தில் ஒரு சுருளைச் சுழற்றுகிறது. சுருளின் வழியே காந்தப்பாயம் தொடர்ந்து மாறுவதால் சைன் வடிவ மின்னியக்கு விசை கிடைக்கிறது. இவ்வாறு இது இயந்திர ஆற்றலை மின்னாற்றலாக மாற்றுகிறது. மின்மாற்றியில் மென்தகடுகளால் ஆன உள்ளகத்தின் மீது முதன்மைச் சுருளும் துணைச் சுருளும் சுற்றப்பட்டுள்ளன. சுற்றுகளின் எண்ணிக்கை விகிதத்தைப் பொறுத்து அது AC மின்னழுத்தத்தை உயர்த்துகிறது அல்லது தாழ்த்துகிறது. தாமிர இழப்பு, சுழல் மின்னோட்ட இழப்பு, காந்தத்தயக்க இழப்பு, காந்தப்பாயக் கசிவு ஆகிய இழப்புகள் இருப்பதால் எந்த உண்மையான மின்மாற்றியும் 100% பயனுறுதிறன் கொண்டதல்ல. மின்கம்பிகளில் \( I^2R \) இழப்பைக் குறைக்க, உயர் மின்னழுத்தத்திலும் குறைந்த மின்னோட்டத்திலும் மின்திறன் அனுப்பப்படுகிறது.

மாறுதிசை மின்னோட்டமும் கட்ட வெக்டர்களும்

சைன் வடிவ மாறுதிசை மின்னோட்டத்துக்கு ஒரு உச்ச மதிப்பு, அரைச் சுற்றுக்கான சராசரி மதிப்பு, RMS மதிப்பு ஆகியவை உண்டு. ஒரு மின்தடையாக்கியில் அதே அளவு வெப்பத்தை உருவாக்கும் நிலையான நேர் மின்னோட்டமே RMS மதிப்பு. சைன் வடிவ AC க்கு \( I_{rms} = \frac{I_0}{\sqrt{2}} \). முழுச் சுற்றுக்கான சராசரி சுழி. அதனால்தான் அரைச் சுற்று பயன்படுத்தப்படுகிறது. கட்ட வெக்டர்கள் (Phasors) இந்த அளவுகளைக் குறிக்கும் சுழலும் வெக்டர்கள். கட்ட வேறுபாடுகளை இவை தெளிவாகக் காட்டுகின்றன.

R, L, C கொண்ட AC சுற்றுகள்

தூய மின்தடையாக்கியில் மின்னழுத்தமும் மின்னோட்டமும் ஒரே கட்டத்தில் உள்ளன. தூய மின்தூண்டியில் மின்னோட்டம் மின்னழுத்தத்தைவிட \( \frac{\pi}{2} \) பிந்துகிறது. தூய மின்தேக்கியில் மின்னோட்டம் மின்னழுத்தத்தைவிட \( \frac{\pi}{2} \) முந்துகிறது. மின்தூண்டு எதிர்ப்பு \( X_L = \omega L \) அதிர்வெண்ணுடன் கூடுகிறது. மின்தேக்கு எதிர்ப்பு \( X_C = \frac{1}{\omega C} \) அதிர்வெண்ணுடன் குறைகிறது. மின்தடை அதிர்வெண்ணைச் சார்ந்ததல்ல.

தொடர் RLC சுற்றும் ஒத்ததிர்வும்

தொடர் RLC சுற்றில் மின்மறுப்பு \( Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2} \). ஒத்ததிர்வு அதிர்வெண்ணில் \( X_L = X_C \). அப்போது மின்மறுப்பு சிறுமமாகி R க்குச் சமமாகிறது, மின்னோட்டம் பெருமமாகிறது. பல வானொலி நிலையங்களில் ஒன்றைத் தேர்ந்தெடுக்க, வானொலி ஏற்பியின் இசைவுச் சுற்றில் தொடர் ஒத்ததிர்வு பயன்படுகிறது.

AC சுற்றுகளில் மின்திறன்

AC சுற்றில் சராசரி மின்திறன் \( P = V_{rms} I_{rms} \cos\phi \). இதில் \( \cos\phi \) என்பது திறன் காரணி (Power factor). மின்தடையாக்கி மட்டுமே ஆற்றலைச் செலவிடுகிறது. இலட்சிய மின்தூண்டியும் மின்தேக்கியும் சுற்றின் ஒரு பகுதியில் ஆற்றலைச் சேமித்து, பின்னர் திருப்பித் தருகின்றன. தூய மின்தூண்டி அல்லது மின்தேக்கியின் திறன் காரணி சுழி. அதன் வழியே பாயும் மின்னோட்டம் திறனற்ற மின்னோட்டம் (Wattless current) எனப்படும். திறன் காரணி ஒன்றுக்கு அருகில் இருந்தால், ஒரு குறிப்பிட்ட மின்னோட்டத்துக்கு அதிகபட்ச மின்திறன் கிடைக்கும்.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• காந்தப்பாயத்தையும் (வெபர்) காந்தப்பாய அடர்த்தியையும் (டெஸ்லா) குழப்பிக்கொள்வது. தூண்டப்பட்ட மின்னியக்கு விசை காந்தப்பாயம் மாறும் வீதத்தைச் சார்ந்தது, \( \Phi = BA\cos\theta \).
• தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டத்துக்கு பிளெமிங் இடக்கை விதியைப் பயன்படுத்துவது. இயங்கும் கடத்தியில் தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டத்தின் திசைக்கு பிளெமிங் வலக்கை விதியைப் பயன்படுத்த வேண்டும்.
• முழுச் சுற்றுக்கான AC சராசரி மதிப்பு அதன் வெப்ப விளைவைத் தரும் என்று கருதுவது. முழுச் சுற்றின் சராசரி சுழி. வெப்பம் RMS மதிப்பைச் சார்ந்தது.
• மின் எதிர்ப்பை மாறாத எண்ணாகக் கருதுவது. அதிர்வெண் கூடும்போது \( X_L \) கூடுகிறது, \( X_C \) குறைகிறது.
• மின்மறுப்பைக் காண R ஐயும் X ஐயும் நேரடியாகக் கூட்டுவது. இவை 90 டிகிரி கட்ட வேறுபாட்டில் உள்ளன. எனவே \( Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2} \) ஐப் பயன்படுத்துங்கள்.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

ஆற்றல் மாறா விதியிலிருந்து லென்ஸ் விதி எப்படி வருகிறது?

தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டம் மாற்றத்தை எதிர்க்காமல் அதற்கு உதவுகிறது என்று வைத்துக்கொள்வோம். அப்போது சுருளை நோக்கிச் சிறிது தள்ளப்பட்ட காந்தம் இன்னும் வேகமாக உள்ளே இழுக்கப்படும். வேலை எதுவும் செய்யாமலேயே அதிக மின்னோட்டம் கிடைக்கும். இது ஒன்றுமில்லாமல் ஆற்றலை உருவாக்குவதாகும். தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டம் இயக்கத்தை எதிர்ப்பதால், காந்தத்தை நகர்த்த நீங்கள் வேலை செய்ய வேண்டும். அந்த வேலைதான் மின்னாற்றலாக மாறுகிறது.

சுழல் மின்னோட்டங்கள் என்றால் என்ன? அவை எப்படிக் குறைக்கப்படுகின்றன?

திண்மக் கடத்தியின் வழியே காந்தப்பாயம் மாறும்போது அதனுள் தூண்டப்படும் மின்னோட்டச் சுழல்களே சுழல் மின்னோட்டங்கள். இவை கடத்தியைச் சூடாக்கி ஆற்றலை வீணாக்குகின்றன. மின்மாற்றி உள்ளகங்களில், ஒன்றிலிருந்து ஒன்று காப்பிடப்பட்ட மெல்லிய மென்தகடுகளைப் பயன்படுத்தி இவை குறைக்கப்படுகின்றன. இது பெரிய மின்னோட்டச் சுழல்களை உடைக்கிறது.

AC சுற்றில் மின்தூண்டி மின்தடையாக்கியிலிருந்து எப்படி வேறுபடுகிறது?

மின்தடையாக்கி மின்னாற்றலை வெப்பமாக மாற்றுகிறது. அதில் மின்னோட்டமும் மின்னழுத்தமும் ஒரே கட்டத்தில் இருக்கும். இலட்சிய மின்தூண்டி ஆற்றலைத் தன் காந்தப்புலத்தில் சேமித்துத் திருப்பித் தருகிறது. அதில் மின்னோட்டம் மின்னழுத்தத்தைவிட 90 டிகிரி பிந்துகிறது. ஒரு முழுச் சுற்றுக்குச் சராசரியாகப் பார்த்தால், இலட்சிய மின்தூண்டி எந்த மின்திறனையும் செலவிடுவதில்லை.

மாறுதிசை மின்னோட்டத்தின் RMS மதிப்பை ஏன் பயன்படுத்துகிறோம்?

அதே மின்தடையாக்கியில் அதே நேரத்தில் அதே அளவு வெப்பத்தை உருவாக்கும் நேர் மின்னோட்டமே RMS மதிப்பு. இதனால் மின்திறனுக்கான DC சூத்திரங்களை AC க்கும் பயன்படுத்த முடிகிறது. இந்தியாவில் வீட்டு மின் வழங்கலின் 230 V ஒரு RMS மதிப்பு. அதன் உச்ச மதிப்பு ஏறத்தாழ 325 V.

வானொலி ஏற்பிகளில் ஒத்ததிர்வு ஏன் பயன்படுகிறது?

ஒத்ததிர்வில், தொடர் RLC சுற்றில் மின்னோட்டம் ஒரு குறிப்பிட்ட அதிர்வெண்ணுக்கு மட்டும் பெருமமாக இருக்கும். இசைவுச் சுற்றின் மின்தேக்குத்திறனை மாற்றி, ஒத்ததிர்வு அதிர்வெண்ணை நீங்கள் விரும்பும் நிலையத்தின் அதிர்வெண்ணுக்குப் பொருத்தலாம். அப்போது அந்த நிலையத்தின் சைகை வலுவாகக் கிடைக்கும், மற்றவை வலுவிழந்து இருக்கும்.

நகரும் பாகங்கள் இல்லாமல் மின்மாற்றி எப்படி மின்னழுத்தத்தை மாற்றுகிறது?

முதன்மைச் சுருளில் பாயும் மாறுதிசை மின்னோட்டம் உள்ளகத்தில் மாறும் காந்தப்பாயத்தை உருவாக்குகிறது. அதே காந்தப்பாயம் துணைச் சுருளுடனும் இணைந்து அதில் மின்னியக்கு விசையைத் தூண்டுகிறது. இலட்சிய மின்மாற்றியில், துணை மின்னழுத்தத்துக்கும் முதன்மை மின்னழுத்தத்துக்கும் உள்ள விகிதம், துணைச் சுருளின் சுற்றுகளின் எண்ணிக்கைக்கும் முதன்மைச் சுருளின் சுற்றுகளின் எண்ணிக்கைக்கும் உள்ள விகிதத்துக்குச் சமம்.