Nguồn năng lượng đơn giản, được điều khiển bằng cơ học này đã gần 200 năm tuổi và vẫn có vai trò rõ ràng, mặc dù còn hạn chế, trong các hệ thống ngày nay.
Cái gì hoặc ai là nam châm? Không, “nam châm” không chỉ là dị nhân mạnh mẽ có khả năng tạo ra và điều khiển từ trường và lần đầu tiên xuất hiện trong số ra mắt của tạp chí Dị nhân 1963.
Thay vào đó, nam châm kỹ thuật là một phương pháp cơ điện cơ bản để chuyển đổi chuyển động – thường quay, nhưng cũng có thể tuyến tính – thành năng lượng điện. Mặc dù đã cũ nhưng đây là một kỹ thuật rất cũ và vẫn được sử dụng trong các phiên bản hiện đại, từ các ứng dụng tương đối đơn giản đến các ứng dụng cao cấp hơn, nơi an toàn là rất quan trọng. Trong một số trường hợp, bạn thậm chí có thể coi việc sử dụng nam châm như một hình thức thu năng lượng, vì nó lấy hoặc “hút” một số năng lượng cơ học có sẵn và chuyển nó thành năng lượng điện.
Lưu ý: các thuật ngữ và thông số năng lượng và công suất là các thực thể riêng biệt. Năng lượng là khả năng thực hiện công và công suất là tốc độ thực hiện công. Tuy nhiên, vì mục đích của chúng tôi trong phần Câu hỏi thường gặp này, hai thuật ngữ này gần như có thể hoán đổi cho nhau và không cần thiết phải phân biệt giữa chúng.
Câu hỏi thường gặp này sẽ khám phá lịch sử, cấu tạo và ứng dụng của nam châm cũng như những ưu điểm và hạn chế của nó.
Hỏi: Bắt đầu với những điều cơ bản: nam châm làm gì?
A: Một nam châm bao gồm một nam châm vĩnh cửu và một cuộn dây điện (đồng) quấn). Nó là nguồn dòng điện không DC “không ổn định”, hoạt động như một máy phát điện thô sơ, cơ bản nhưng hiệu quả. Từ thông thay đổi hoặc đảo chiều được tạo ra bởi một nam châm đi qua hoặc xuyên qua cuộn dây tạo ra sự chênh lệch điện áp trên cuộn sơ cấp (Định luật Faraday) (Hình 1). Sự chênh lệch điện áp này cũng gây ra dòng điện đi qua cuộn dây và đến tải, do đó tạo ra năng lượng điện từ chuyển động cơ học.
Hỏi: Có nhiều hơn một cấu trúc từ tính cơ bản không?
A: Đúng. Một nam châm con thoi có một nam châm cố định trong khi cuộn dây quay hoặc di chuyển; một nam châm điện cảm giữ cho cuộn dây cố định trong khi quay hoặc di chuyển nam châm. Thiết kế cuộn cảm thường được ưa chuộng vì không cần kết nối dây với cụm cuộn dây chuyển động hoặc quay nên thiết kế này đáng tin cậy hơn. Dù thế nào đi nữa, nguyên lý vật lý cơ bản và cách sử dụng Định luật Faraday đều giống nhau.
Câu hỏi: Đầu ra thô của nam châm trông như thế nào? Biên độ của nó là bao nhiêu?
A: Đầu ra là dạng sóng AC rất không giống hình sin (Hình 2). Khả năng là một chức năng của thiết kế, kích thước và tốc độ mà nam châm đi qua cuộn dây và nằm trong khoảng từ ±15 đến ±40 V; một số nam châm lớn hơn có thể cung cấp tới ±100 V.
Hỏi: Sự khác biệt giữa magneto và dynamo là gì?
A: Nói chung, một máy phát điện tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin hài hòa thấp, sạch, rất khác với đầu ra dạng sóng “nhọn” bị méo của nam châm.
Hỏi: Việc sử dụng nam châm làm nguồn điện đã được áp dụng từ bao lâu rồi?
A: Rất già. Nhà sản xuất dụng cụ người Pháp Hippolyte Pixii đã chế tạo nó vào năm 1832 - chỉ một năm sau khi Michael Faraday phát hiện ra nguyên lý cảm ứng điện từ. Được vận hành bằng tay quay, nam châm của ông là máy phát điện thực tế đầu tiên (Hình 3).
Việc quay tay quay khiến các nam châm hình chữ nhật (tương đối yếu vào thời đó) đi vào và ra khỏi cuộn dây quấn thông qua một cơ cấu chuyển động quay sang tuyến tính đơn giản, do đó tạo ra dòng điện. Đây là sơ đồ không dùng pin đầu tiên để tạo ra dòng điện đáng tin cậy và có phần liên tục. Ngay cả khi nó không hoạt động liên tục như từ pin, thì đó vẫn là nguồn “sạch” không liên quan đến hóa chất hoặc bị cạn kiệt.
Hỏi: Tất cả điều này nghe có vẻ như lịch sử cổ xưa và có phần không liên quan. Tại sao chúng ta nên nhìn vào nó bây giờ?
A: Đầu tiên, nam châm được sử dụng cho những chiếc ô tô đời đầu, chẳng hạn như Model T, và dẫn đến nhiều sự phát triển trong công nghệ đánh lửa bằng tia lửa điện và điện từ hiện đại. Quan trọng hơn, chúng vẫn được sử dụng rộng rãi và hiệu quả hơn nhờ vật liệu, linh kiện cơ khí và nam châm tốt hơn.
Hỏi: Chúng được sử dụng ở đâu? Vai trò của họ là gì?
A: Chúng được sử dụng trong cả các ứng dụng “cấp thấp”, chẳng hạn như máy cắt cỏ hoặc máy cưa chạy bằng xăng và trong máy bay nhỏ. Đầu ra điện áp thấp của nam châm được biến đổi thành điện áp/dòng điện thích hợp để đánh lửa bugi của động cơ xăng đốt trong piston. Những ứng dụng liên quan đến tia lửa điện này là những ứng dụng nổi bật đối với nam châm, trong đó chúng không cần cung cấp dòng năng lượng liên tục mà chỉ cần cung cấp những đợt bùng nổ định kỳ.
Chúng cũng được sử dụng trong những ngày đầu của điện thoại, nơi người dùng sẽ quay tay quay ở bên cạnh điện thoại để tạo ra điện áp cao hơn (50 đến 100 V) cần thiết cho chuông (chuông), trong khi pin điện áp thấp sẽ được sử dụng cho mạch nói chuyện thực tế (Hình 4).
Q: Điện áp đầu ra từ tính có được sử dụng trực tiếp không?
A: Nói chung, nó không hữu ích trực tiếp. Nó có thể được sử dụng “nguyên trạng” nếu nó chỉ cấp nguồn cho mạch điện áp thấp hơn như chuông điện thoại (khoảng 20-40 V, đôi khi cao tới 80-100 V). Tuy nhiên, điện áp quá thấp để đốt cháy tia lửa trong động cơ chạy bằng khí khi cần khoảng 10 kV. Trong những trường hợp này, các sơ đồ tăng điện áp khác nhau sử dụng máy biến áp cuộn dây kép được sử dụng trong đó điện áp từ tính là điện áp sơ cấp và máy biến áp tăng dần theo hai bậc độ lớn (10 V đến 1000 V).
Hỏi: Tại sao ngày nay nam châm lại được sử dụng? Rốt cuộc, bây giờ chúng ta có pin mạnh và nhẹ.
A: Một trong những ưu điểm của hệ thống đánh lửa từ tính là nó không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào, chẳng hạn như pin; đó là một hệ thống hoàn toàn khép kín, tự cung cấp năng lượng. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn tốt cho các ứng dụng mà pin làm nguồn điện DC chính không có sẵn hoặc không khả thi, chẳng hạn như động cơ nhỏ (máy cắt cỏ, máy cưa). Ngoài ra, hệ thống đánh lửa nam châm tương đối đơn giản và có ít bộ phận chuyển động, giúp chúng bền và dễ bảo trì.
Hỏi: Điều đó có lý, nhưng công dụng của chúng trên máy bay là gì?
A: Có một số lý do khiến ngay cả máy bay có động cơ cánh quạt/piston hiện đại có pin vẫn sử dụng nam châm để cung cấp tia lửa điện áp cao cho xi lanh; chúng như sau:
- Nam châm không phụ thuộc vào hệ thống điện của máy bay, pin hoặc các nguồn điện khác trên máy bay. Hệ thống điện của máy bay không hoạt động và mất điện hoàn toàn, động cơ của máy bay điều khiển bằng nam châm sẽ tiếp tục chạy.
- Magnetos là đáng tin cậy. Như đã đề cập trước đó, chúng là một trong những công nghệ đánh lửa lâu đời nhất trong ngành hàng không vũ trụ, được sử dụng trên những chiếc máy bay đầu tiên. Chúng đã được thử nghiệm theo thời gian và đáng tin cậy
- Phi công có thể phải cố tình tắt toàn bộ hệ thống điện của máy bay trong một số trường hợp nghiêm trọng, chẳng hạn như trong trường hợp cháy điện, để ngăn lửa lan rộng. Bằng cách sử dụng nam châm cho hệ thống đánh lửa, động cơ sẽ tiếp tục chạy ngay cả khi hệ thống điện bị tắt.
Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết hơn về việc sử dụng nam châm trong hệ thống đánh lửa.
Nội dung thế giới EE liên quan
Có bao nhiêu động cơ điện trên ô tô?
Tại sao bạn không cần ổ đĩa có tốc độ thay đổi để thay đổi tốc độ của quạt
Sự khác biệt giữa hiệu ứng Faraday và định luật cảm ứng Faraday
Tại sao các ổ cắm lại phát sáng khi bạn rút phích cắm?
Các nhà nghiên cứu khám phá động cơ ô tô chạy xăng mạnh mẽ, hiệu suất cao, không cần bugi
dự án
Hemmings Motor News, “Hệ thống đánh lửa Magneto”
Học viện Nam châm MagLab Quốc gia, “Magneto – 1832”
Rừng cơ khí, “Hệ thống đánh lửa Magneto là gì?”
Monroe Aerospace, “Từ tính là gì và tại sao máy bay lại sử dụng chúng?”
Tin tức AOPA, “Cách thức hoạt động: Magneto”
Bay, “Cách thức hoạt động: Magneto”
Antique Auto Electrics (Úc), “Lịch sử Magneto”
Wikipedia, “Nam châm”
Wikipedia, “Đánh lửa bằng nam châm”
Buzz Pound, “Mẫu T Ford Magnetos và Thời gian”
Câu lạc bộ Ford Model T của Mỹ, “Dạng sóng đầu ra nam châm”
Câu lạc bộ Ford Model T của Mỹ, “Hệ thống đánh lửa Model T Ford & Thời gian đánh lửa”
Tạp chí Động cơ Gas, “Giá trị điện áp Magneto: Cách sử dụng vôn kế”
Điện thoại cũ của Vern, “Mạch điện thoại Magneto”
Ấn phẩm của Marvel, “Max Eisenhardt & Magneto”