Πηνίο

Το πηνίο είναι ένα από τα κύρια εξαρτήματα των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Πρόκειται για ένα συρμάτινο τύλιγμα που έχει την ιδιότητα να αναπτύσσει μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του όταν διαρρέεται από ρεύμα. Οι ιδιότητες των πηνίων και το φαινόμενο της αυτεπαγωγής μελετήθηκαν από τον Αμερικανό φυσικό Τζόζεφ Χένρι το 1823.

Το σύμβολο του πηνίου

Τα χαρακτηριστικά του πηνίου

Το πηνίο μπορεί να είναι κενό εσωτερικά ή να περιέχει κάποιον πυρήνα από σιδηρομαγνητικό υλικό. Χαρακτηριστικό μέγεθος του πηνίου είναι ο συντελεστής αυτεπαγωγής που συμβολίζεται με L και μετριέται σε Ανρί (Henry) προς τιμήν του Αμερικανού φυσικού Τζόζεφ Χένρι (Joseph Henry) που μελέτησε το φαινόμενο της αυτεπαγωγής και τα πηνία.

Η ένταση του μαγνητικού πεδίου που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του πηνίου όταν αυτό διαρρέεται από ρεύμα δίνεται από τη σχέση

$B=\mu _{0}\mu _{r}\mathrm {I} {\frac {n}{l}}$

όπου n ο αριθμός των σπειρών του πηνίου, l το μήκος του πηνίου, Ι το ρεύμα που το διαρρέει, μ₀ η μαγνητική διαπερατότητα του κενού] και μ_r η σχετική μαγνητική διαπερατότητα του υλικού του πυρήνα (για το κενό, μ_r=1).

Εφαρμογές των πηνίων

πηνίο με πυρήνα

Το πηνίο χρησιμοποιείται στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές του ηλεκτρομαγνητισμού εκμεταλλευόμενο την ιδιότητα του να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μαγνητική και το αντίθετο. Έτσι λοιπόν χρησιμοποιείται στις ηλεκτρικές γεννήτριες, στους ηλεκτροκινητήρες, στους μετασχηματιστές, στα εξαρτήματα ρελέ σε ηλεκτρομαγνήτες και ακόμα σε χρονοκυκλώματα, σε φίλτρα και σε ταλαντωτές.

Το πηνίο χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που εκμεταλλεύονται το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής λόγω της ιδιότητάς του να αναπτύσσει εντονότερη μαγνητική ροή στο εσωτερικό του σε σχέση με έναν απλό βρόχο. Το πηνίο λόγω σχήματος περιλαμβάνει πολλούς βρόχους σε σειρά με αποτέλεσμα η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του να είναι πολλαπλή σε σχέση με έναν απλό βρόχο.

Η χρήση του πηνίου σε χρονοκυκλώματα είναι αποτέλεσμα του κανόνα του Λεντζ σύμφωνα με τον οποίο το πηνίο δεν αποκτά ακαριαία μέγιστο ρεύμα όταν συνδεθεί με μία πηγή. Αυτό συμβαίνει γιατί αναπτύσσεται αρχικά τάση από αυτεπαγωγή στα άκρα του, αντίθετη με την φορά της τάσης της πηγής. Αντίστοιχά κατά την εκφόρτιση αναπτύσσει τάση λόγω αυτεπαγωγής και εμποδίζει το ρεύμα του κυκλώματος να μηδενιστεί ακαριαία όταν το κύκλωμα αποσυνδέεται από την πηγή.

Η χρήση του πηνίου ως ηλεκτρονικού φίλτρου οφείλεται στο γεγονός ότι είναι εντελώς αγώγιμο για το συνεχές ρεύμα, ενώ παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση στο εναλλασσόμενο που αυξάνει όσο αυξάνεται η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Επομένως το πηνίο επιτρέπει την διέλευση των συνεχών ρευμάτων και των ρευμάτων χαμηλών συχνοτήτων αλλά αποκόπτει τα ρεύματα πολύ υψηλών συχνοτήτων.

κύκλωμα LC

Το πηνίο επίσης χρησιμοποιείται σε κυκλώματα που παράγουν ημιτονικές κυματομορφές (αρμονικά σήματα) τα οποία είναι γνωστα ως ταλαντωτές και είναι εξαιρετικά χρήσιμα στις εφαρμογές ραδιοεκπομπών. Όταν το πηνίο είναι συνδεδεμένο σε σειρά με έναν φορτισμένο πυκνωτή μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια του πυκνωτή σε μαγνητική ενέργεια στο εσωτερικό του, η οποία μετατρέπεται λόγω αυτεπαγωγής ξανά σε ηλεκτρική του πυκνωτή. Έτσι στο κύκλωμα αυτό δημιουργείται ένα αρμονικό εναλλασσόμενο ρεύμα. Η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που δημιουργείται δίνεται από την σχέση $f={\frac {1}{\mathbf {2} {\pi }{\sqrt {LC}}}}$. Το κύκλωμα αυτό συνδυασμένο με μία βαθμίδα ενίσχυσης δημιουργεί την διάταξη του ταλαντωτή.

Ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται στο πηνίο

Το πηνίο αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια που δίνεται από τον τύπο $E={\frac {1}{2}}\mathbf {L} I^{2}$, όπου Ι η ένταση ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το πηνίο και L ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου.

Πηγές

• Φυσική - Raymond Serway τόμος ΙΙ, μετάφραση Λ. Ρεσβάνης
• Κυκλώματα συνεχούς και εναλλασσομένου ρεύματος Β΄ ΕΠΑΛ- ΟΕΔΒ
• Φυσική θετικής κατεύθυνσης Β΄ ΓΕΛ- ΟΕΔΒ
• Ηλεκτροτεχνία 2 Β' - Γ' ΕΠΑΛ -ΙΤΥΕ

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Οδηγίες για τον προσδιορισμό της αυτεπαγωγής ηλεκτρομαγνητικού πηνίου με απλή μέθοδο (Γερμανικά)