גידול שיניים וצרות אחרות – ד'.

בפרק הקודם נוכחנו כי קיימת תחרות מסוכנת בין המגעים (“פלטינות") ובין המצת: אצל מי משניהם יווצר ניצוץ? אצל מי הוא יווצר ראשון ויגנוב את האנרגיה לעצמו? כשהניצוץ פורץ במצת – המנוע פועל. אם הוא פורץ בין המגעים, הם יהרסו תוך זמן קצר. הזכרנו גם כי הפתרון המקובל הוא קבל (condenser) – הפעם נראה מדוע ואיך.

אך קודם לכך – כמה מילים הכרחיות על תכונותיה של קשת חשמלית.

כבר ראינו כי לפי חוק פשן, לכל הרכב גאז, לחץ ומרחק בין אלקטרודות מתאים מתח בו יתחולל תהליך ה־avelanch, כלומר יפרוץ ניצוץ. מתח זה נקרא מתח ההצתה.

כשמדובר במצת (פלג) תיקני בעל מירווח בן 1 מ"מ בין האלקטרודות מתח ההצתה יהיה כ 3 – 4 kV לתערובת עשירה (יחס אוויר\ דלק12:1) אבל בין 7 ל 9 kV לתערובת תיקנית (15:1). במנועים בעלי יחס דחיסה גבוה עולים ערכים אלה. במנועים שחוקים בהם נוסף גם שמן לתערובת – יכולים ערכים אלה לגדול אף יותר.

במגעים, הנתונים באוויר בלחץ אטמוספרי, מתח הפריצה נמוך בהרבה: הוא יכול להיות כ 500 – 700 וולט כשהמרווח ביניהם הוא כ 0.5 מ"מ. מחוק פשן נובע גם כי מתח הפריצה הנמוך ביותר לא יהיה ברגע ההתנתקות שלהם, שאז המגעים קרובים מאד זה לזה, אלא אי שם בדרך להתרחקות המירבית ביניהם.

הציור הבא מאפשר לנו לעקוב אחרי התפתחות המתח בין האלקטרודות מרגע שנפתחו המגעים.

spark-waveform1

points voltage as function of time

הקטע A מתאר את התפתחות המתח עד להווצרות הניצוץ: המתח מטפס במהירות עד שמגיע למתח הפריצה (נקודה 2).

בנקודה זו צונח המתח במהירות רבה ומשתווה ל"מתח הקשת”, שהוא כעשירית ממתח הפריצה. הקטע B מתאר את המתח בין האלקטרודות כל זמן שהניצוץ קיים, כלומר כל זמן שזורם זרם חשמלי בין האלקטרודות. כזכור, בקשת חשמלית יש מס’ עצום של אלקטרונים חופשיים ולכן היא מוליך לכל דבר. ההתנגדות שלה נמוכה ומכאן נפילת המתח. כל זמן שהקשת מתקיימת מתח זה קבוע. בנקודה 4 מסתיימת הקשת (בהמשך נראה מדוע) והתווך בין האלקטרודות חוזר ונהיה נתק מבחינה חשמלית. המתח צונח לאפס תוך תנודות אחדות – גם עליהן נעמוד בהמשך.

לא ציינו עד עתה היכן פורץ הניצוץ הזה – האם בין המגעים (“הפלטינות") או בין אלקטרודות המצת?

אם נחזור לרגע למעגל ההצתה

נראה ששני המרווחים נמצאים בשני צידיו של שנאי (טרנספורמטור) – הלא הוא סליל ההצתה. תכונתו הבסיסית של שנאי היא שהמתח בין קצות כל אחד מסליליו הוא העתק מדויק שןל המתח בסליל השני – כפול ביחס הליפופים ביניהם. נניח עכשיו שהפריצה במצת ארעה ראשונה. המתח על המצת יורד בחריפות ואיתו גם המתח על המגעים יורד באופן חריף ולכן לא תהיה קשת בין המגעים!

אבל אם ההפך מתרחש, והקשת בין המגעים מתרחשת ראשונה – לא יהיה ניצוץ במצת, ואנו נחווה הפסד כפול: נזק למגעים ואובדן כוח למנוע.

יש לכן הכרח למנוע פריצת קשת בין המגעים – וזאת עושים ע"י הגבלת המתח המתפתח ביניהם. הדרך העדיפה לעשות זאת היא באמצעות קבל, מכיוון שהוא רכיב בעל הפסדי אנרגיה מינימליים (בחשמל אומרים כי הוא רכיב ריאקטיבי).

כדי להבין את פעולתו נתבונן במעגל הבא, בו משתתף רק הסליל הראשוני של השנאי. מוצדק לעשות כך, כי אנו מתעניינים במקרה בו אין ניצוץ במצת, ולגבינו הוא נתק.

prim

נתחיל במצב בו סוגרים את המתג CB למשך הזמן t. מתח הסוללה Bat הוא v. ברגע הפתיחה של המתג יהיה הזרם בסליל L:

I=vt/L

לפי חוק רציפות הזרם ימשיך זרם זה לזרום לתוך הקבל ולטעון אותו. זה ימשך עד שכל האנרגיה המגנטית שנאגרה בסליל תהפוך לאנרגיה חשמלית בקבל, ואז יתחיל הקבל להזרים זרם לסליל. התהליך שקול לפעולת מטוטלת או נדנדה שבהן אנרגיה פוטנציאלית הופכת לקינטית וחוזר חלילה.

האנרגיה E שנאגרה בסליל היא:

E=LI²/2

כאשר L היא השראות הסליל. האנרגיה שעברה לקבל גם היא E:

E=CV²/2

כאשר C הוא קיבול הקבל וV הוא המתח המירבי עליו. מכאן שV, שהוא גם המתח המירבי על המתג הפתוח יהיה:

½(V=I(L/C)

נציב את ערך I ונקבל :

½(V=vt/(LC)

אם נעבור לדוגמה מן החיים, בה השראות סליל ההצתה היא 4.5mH, מתח הסוללה 12 וולט, קיבול הקבל 0.2 µF והזמן בו היו המגעים סגורים 4mS ונציב את הערכים הללו במשוואה שלמעלה נקבל

V=12X0.004/3X0.0004=160

כלומר המתח המירבי שיתקבל על המגעים הפתוחים יהיה 160 וולט, הרבה פחות ממתח הפריצה ביניהם.

אם יחס הליפופים הוא 1:100 יהיה המתח על המצת 16000 וולט, מתח מספיק לרוב הצרכים.

וכן, ניצוץ יהיה אך ורק במצת!

הפרק הבא NEXT

הפרק הקודם PREV