Cewka indukcyjna - Induction coil

Antyczna cewka indukcyjna używana w szkołach, od około 1900, Bremerhaven, Niemcy
Cewka indukcyjna przedstawiająca konstrukcję, z 1920 r.

Cewka indukcyjna lub „cewki zapłonowej” ( archaicznie znany jako inductorium lub cewki Ruhmkorff po Heinrich Rühmkorff ) jest typu elektrycznego transformatora stosowanego do wytwarzania impulsów wysokiego napięcia z niskim napięciu prądu stałego zasilania (DC). Aby wytworzyć zmiany strumienia niezbędne do wzbudzenia napięcia w uzwojeniu wtórnym, prąd stały w uzwojeniu pierwotnym jest wielokrotnie przerywany przez wibrujący styk mechaniczny zwany przerywaczem . Wynaleziona w 1836 roku przez Nicholasa Callana , z dodatkowymi badaniami Charlesa Graftona Page'a i innych, cewka indukcyjna była pierwszym typem transformatora. Był szeroko stosowany w aparatach rentgenowskich , iskiernikowych nadajnikach radiowych , oświetleniu łukowym i szarlatanych urządzeniach do elektroterapii medycznej od 1880 do 1920 roku. Obecnie jego jedynym powszechnym zastosowaniem są cewki zapłonowe w silnikach spalinowych oraz w nauczaniu fizyki do demonstrowania indukcji .

Budowa i funkcja

Schemat

Cewka indukcyjna składa się z dwóch cewek izolowanego drutu owiniętego wokół wspólnego żelaznego rdzenia (M) . Jedna cewka, zwana uzwojeniem pierwotnym (P) , jest wykonana ze stosunkowo kilku (dziesiątek lub setek) zwojów grubego drutu. Druga cewka, uzwojenie wtórne , (S) zwykle składa się z do miliona zwojów cienkiego drutu (do 40 mm).

Prąd elektryczny jest przepuszczany przez pierwotnego, tworząc pole magnetyczne . Ze względu na wspólny rdzeń większość pierwotnego pola magnetycznego łączy się z uzwojeniem wtórnym. Pierwotny zachowuje się jak cewka indukcyjna , przechowując energię w powiązanym polu magnetycznym. Kiedy prąd pierwotny zostaje nagle przerwany, pole magnetyczne gwałtownie zanika. Powoduje to powstanie impulsu wysokiego napięcia na zaciskach wtórnych poprzez indukcję elektromagnetyczną . Ze względu na dużą liczbę zwojów w cewce wtórnej, impuls napięcia wtórnego wynosi zwykle wiele tysięcy woltów . To napięcie jest często wystarczające do wywołania iskry elektrycznej , przeskakującej przez szczelinę powietrzną (G) oddzielającą zaciski wyjściowe wtórnego. Z tego powodu cewki indukcyjne nazwano cewkami iskrowymi.

Cewka indukcyjna tradycyjnie charakteryzuje się długością iskry, jaką może wytworzyć; cewka indukcyjna „4 cale” (10 cm) może wytworzyć 4-calową iskrę. Do czasu opracowania oscyloskopu katodowego był to najbardziej wiarygodny pomiar napięcia szczytowego takich przebiegów asymetrycznych. Zależność między długością iskry a napięciem jest liniowa w szerokim zakresie:

4 cale (10 cm) = 110 kV; 8 cali (20 cm) = 150 kV ; 12 cali (30 cm) = 190 kV ; 16 cali (41 cm) = 230kV

Krzywe dostarczone przez współczesną referencję ściśle zgadzają się z tymi wartościami.

Przerywacz

Bez kondensatora
Z kondensatorem
Przebiegi w cewce indukcyjnej z otwartym wyjściem (brak iskry). i 1 ( niebieski  ) to prąd w uzwojeniu pierwotnym cewki, v 2 ( czerwony  ) to napięcie na uzwojeniu wtórnym. Nie na powszechną skalę; v 2 jest znacznie większy na dolnym rysunku.

Aby cewka działała w sposób ciągły, prąd zasilania DC musi być wielokrotnie podłączany i odłączany, aby wytworzyć zmiany pola magnetycznego potrzebne do indukcji. W tym celu cewki indukcyjne wykorzystują magnetycznie aktywowane ramię wibracyjne zwane przerywaczem lub przerwą ( A ), aby szybko połączyć i przerwać prąd płynący do cewki pierwotnej. Komora jest zamontowana na końcu cewki obok żelaznego rdzenia. Po włączeniu zasilania rosnący prąd w uzwojeniu pierwotnym wytwarza rosnące pole magnetyczne, które przyciąga żelazną zbroję przerywacza ( A ). Po pewnym czasie przyciąganie magnetyczne pokonuje siłę sprężyny szkieletu i szkielet zaczyna się poruszać. Gdy zwora przesunie się wystarczająco daleko, para styków ( K ) w obwodzie pierwotnym otwiera się i odłącza prąd pierwotny. Odłączenie prądu powoduje załamanie pola magnetycznego i powstanie iskry. Ponadto zapadnięte pole nie przyciąga już twornika, więc siła sprężyny przyspiesza twornik do początkowego położenia. Niedługo później styki ponownie się łączą, a prąd ponownie zaczyna budować pole magnetyczne. Cały proces zaczyna się od nowa i powtarza się wiele razy na sekundę. Napięcie wtórne v 2 ( czerwony , lewy ) jest w przybliżeniu proporcjonalne do szybkości zmian prądu pierwotnego i 1 ( niebieski ).

Przeciwne potencjały są indukowane w uzwojeniu wtórnym, gdy przerywacz „rozrywa” obwód i „zamyka” obwód. Jednak aktualna zmiana w uzwojeniu pierwotnym jest znacznie bardziej gwałtowna, gdy przerywacz „przerywa”. Gdy styki się zamykają, prąd w uzwojeniu pierwotnym narasta powoli, ponieważ napięcie zasilania ma ograniczoną zdolność do wymuszania prądu przez indukcyjność cewki. W przeciwieństwie do tego, gdy styki przerywacza otwierają się, prąd nagle spada do zera. Tak więc impuls napięcia indukowany w uzwojeniu wtórnym przy „przerwaniu” jest znacznie większy niż impuls indukowany przy „zamknięciu”, to właśnie „przerwa” generuje wysokie napięcie wyjściowe cewki.

Kondensator

W momencie zerwania na stykach komory powstaje łuk, który ma niepożądane skutki: łuk zużywa energię zmagazynowaną w polu magnetycznym, obniża napięcie wyjściowe i uszkadza styki. Aby temu zapobiec, do cewki pierwotnej podłączony jest kondensator gaszący (C) o wielkości od 0,5 do 15 μF, aby spowolnić wzrost napięcia po przerwie. Kondensator i uzwojenie pierwotne razem tworzą obwód strojony , więc po zerwaniu tłumiona fala płynie w uzwojeniu pierwotnym i podobnie indukuje tłumioną falę w uzwojeniu wtórnym. W rezultacie wyjście wysokiego napięcia składa się z serii tłumionych fal (po lewej) .

Szczegóły konstrukcyjne

Aby zapobiec wysokiemu napięciu generowanemu w cewce przed zniszczeniem cienkiej izolacji i wyładowaniem łukowym między przewodami wtórnymi, cewka wtórna wykorzystuje specjalną konstrukcję, aby uniknąć sytuacji, w których przewody przenoszące duże różnice napięć leżą obok siebie. W jednej szeroko stosowanej technice cewka wtórna jest nawinięta na wiele cienkich płaskich odcinków w kształcie naleśników (zwanych „tortami”), połączonych szeregowo .

Cewka pierwotna jest najpierw nawinięta na żelazny rdzeń i odizolowana od wtórnej grubą powłoką papierową lub gumową. Następnie każda podcewka wtórna jest podłączona do cewki obok niej i nasunięta na żelazny rdzeń, odizolowany od sąsiednich cewek za pomocą woskowanych dysków kartonowych. Napięcie wytworzone w każdej podcewce nie jest wystarczająco duże, aby przeskakiwać między przewodami w podcewce. Duże napięcia powstają tylko w wielu podcewkach połączonych szeregowo, które są zbyt szeroko odseparowane, aby można było je przeskoczyć. Aby nadać całej wężownicy ostateczną powłokę izolacyjną, zanurza się ją w stopionej parafinie lub kalafonii ; powietrze zostało usunięte, aby upewnić się, że w środku nie pozostały pęcherzyki powietrza, a parafina zestaliła się, dzięki czemu cała cewka jest pokryta woskiem.

Aby zapobiec prądom wirowym , które powodują straty energii, żelazny rdzeń składa się z wiązki równoległych żelaznych drutów, indywidualnie powlekanych szelakiem w celu ich izolacji elektrycznej. Prądy wirowe płynące pętlami w rdzeniu prostopadle do osi magnetycznej są blokowane przez warstwy izolacji. Końce izolowanej cewki pierwotnej często wystawały kilka cali z każdego końca cewki wtórnej, aby zapobiec łukom z wtórnego do pierwotnego lub rdzenia.

Przerywacze rtęciowe i elektrolityczne

(po lewej) 3-elektrodowy przerywacz Wehnelta stosowany w cewkach dużej mocy. (po prawej) Przerywacz turbiny rtęciowej. Silnik obraca koło zębate, podczas gdy strumień rtęci jest rozpylany na zęby. Regulując koło w górę iw dół, można zmienić cykl pracy prądu pierwotnego.

Chociaż wszystkie nowoczesne cewki indukcyjne używane do celów edukacyjnych wykorzystują opisany powyżej przerywacz z ramieniem wibracyjnym typu „młotek”, były one niewystarczające do zasilania dużych cewek indukcyjnych stosowanych w iskiernikowych nadajnikach radiowych i aparatach rentgenowskich na przełomie XIX i XX wieku. W potężnych cewkach wysoki prąd pierwotny wytwarzał łuki na stykach przerywacza, które szybko niszczyły styki. Ponadto, ponieważ każda „przerwa” wytwarza impuls napięcia z cewki, im więcej przerw na sekundę, tym większa moc wyjściowa. Przerywacze młotkowe nie były zdolne do przerw powyżej 200 przerw na sekundę, a te stosowane w cewkach o dużej mocy były ograniczone do 20-40 przerw na sekundę.

W związku z tym wiele badań poświęcono na ulepszanie przerywaczy, a ulepszone konstrukcje stosowano w cewkach o dużej mocy, przy czym przerywacze młotkowe były używane tylko w małych cewkach poniżej 8-calowych iskier. Léon Foucault i inni opracowali przerywacze składające się z oscylującej igły zanurzającej się i wysuwającej się z pojemnika rtęć , rtęć pokryta warstwą spirytusu, który szybko wygasił łuk, powodując szybsze przełączanie. Często były one napędzane oddzielnym elektromagnesem lub silnikiem, co pozwalało na regulację szybkości przerywania i czasu „wytrzymania” niezależnie od prądu pierwotnego .

Największe cewki wykorzystywały przerywacze turbinowe elektrolityczne lub rtęciowe. Przerywacz elektrolityczny lub Wehnelt, wynaleziony przez Arthura Wehnelta w 1899 roku, składał się z krótkiej platynowej anody igłowej zanurzonej w elektrolicie rozcieńczonego kwasu siarkowego , z drugą stroną obwodu połączoną z katodą ołowianą . Kiedy przepływał przez nią prąd pierwotny, na igle utworzyły się pęcherzyki gazowego wodoru, które wielokrotnie przerywały obwód. Spowodowało to, że prąd pierwotny łamał się losowo z szybkością do 2000 przerw na sekundę. Były preferowane do zasilania lamp rentgenowskich. Wytwarzały dużo ciepła i pod wpływem wodoru mogły eksplodować. Przerywacze turbin rtęciowych miały pompę odśrodkową, która rozpylała strumień ciekłej rtęci na obracające się metalowe styki. Mogły osiągnąć współczynniki przerwań do 10 000 przerw na sekundę i były najczęściej stosowanym typem przerywaczy w komercyjnych stacjach bezprzewodowych.

Historia

Wczesna cewka Williama Sturgeona , 1837. Cynkowe koło zębate (D) zostało obrócone ręcznie. Pierwsza cewka wykorzystująca dzielony rdzeń z drutów żelaznych (F), aby zapobiec prądom wirowym.
Wczesna cewka Charlesa G. Page, 1838, miała jeden z pierwszych automatycznych przerywaczy. Kubek był wypełniony rtęcią. Pole magnetyczne przyciągnęło żelazny element na ramieniu (po lewej) , unosząc drut z kubka, przerywając obwód pierwotny.
Cewka indukcyjna Heinricha Ruhmkorffa , lata 50. XIX wieku. Oprócz przerywacza młotkowego (po prawej) posiadał przerywacz rtęciowy Fizeau (po lewej), który można regulować, aby zmienić czas przebywania.
Jedna z największych cewek, jakie kiedykolwiek zbudowano, zbudowana w 1877 roku przez Alfreda Apps dla Williama Spottiswoode. Nawinięty 280 mil drutu może wytworzyć iskrę 42 cale (106 cm), co odpowiada około milionowi woltów. Zasilany bateriami płynnymi o pojemności 30 kwart i oddzielnym przerywaczem (nie pokazano) .
Pierwsza cewka indukcyjna, zbudowana przez Nicholasa Callana, 1836.

Cewka indukcyjna była pierwszym typem transformatora elektrycznego . Podczas jego rozwoju w latach 1836-1860, głównie metodą prób i błędów, naukowcy odkryli wiele zasad rządzących wszystkimi transformatorami, takich jak proporcjonalność między zwojami a napięciem wyjściowym oraz użycie „podzielonego” żelaznego rdzenia w celu zmniejszenia strat prądów wirowych .

Michael Faraday odkrył zasadę indukcji, prawo indukcji Faradaya , w 1831 roku i przeprowadził pierwsze eksperymenty z indukcją pomiędzy zwojami drutu. Cewka indukcyjna została wynaleziona przez amerykańskiego lekarza Charlesa Graftona Page'a w 1836 roku i niezależnie przez irlandzkiego naukowca i katolickiego księdza Nicholasa Callana w tym samym roku w St. Patrick's College w Maynooth i ulepszona przez Williama Sturgeona . George Henry Bachhoffner i Sturgeon (1837) niezależnie odkryli, że „podzielony” żelazny rdzeń z żelaznych drutów zmniejsza straty mocy. Wczesne cewki miały ręcznie obracane przerywacze, wynalezione przez Callana i Antoine'a Philiberta Massona (1837). Automatyczny przerywacz „młotkowy” został wynaleziony przez ks. prof. Jamesa Williama MacGauleya (1838) z Dublina w Irlandii, Johanna Philippa Wagnera (1839) i Christiana Ernsta Neeffa (1847). Hippolyte Fizeau (1853) wprowadził zastosowanie kondensatora gaszącego. Heinrich Ruhmkorff generował wyższe napięcia dzięki znacznemu zwiększeniu długości wtórnego, w niektórych cewkach przy użyciu drutu o długości 5 lub 6 mil (10 km) i wytwarzał iskry do 16 cali. Na początku lat 50. XIX wieku amerykański wynalazca Edward Samuel Ritchie wprowadził dzieloną konstrukcję wtórną, aby poprawić izolację. Jonathan Nash Hearder pracował nad cewkami indukcyjnymi. Cewka indukcyjna Callana została uznana za kamień milowy IEEE w 2006 roku.

Cewki indukcyjne zostały wykorzystane do zapewnienia wysokiego napięcia do wczesnych wyładowań gazowych i rur Crookesa oraz innych badań wysokiego napięcia. Były również wykorzystywane do dostarczania rozrywki (np. oświetlanie lamp Geisslera ) oraz do napędzania małych „cewek szokujących”, cewek Tesli i urządzeń na fioletowo-promieniowych stosowanych w medycynie znachorów . Zostały one wykorzystane przez Hertza do wykazania istnienia fal elektromagnetycznych, jak przewidzieli James Clerk Maxwell oraz Lodge i Marconi w pierwszych badaniach fal radiowych. Ich największe przemysłowe zastosowanie było prawdopodobnie we wczesnych bezprzewodowych nadajnikach radiowych z iskiernikami telegraficznymi oraz do zasilania wczesnych lamp rentgenowskich z zimną katodą od lat 90. XIX wieku do lat 20. XX wieku, po czym zostały one wyparte w obu tych zastosowaniach przez transformatory prądu przemiennego i lampy próżniowe . Jednak ich stosowanie do wielkości był w cewce zapłonowej i cewki zapłonowej w układ zapłonu w silnikach spalinowych wewnętrznego spalania , o ile są one jeszcze używane, chociaż styki przerywacza obecnie zastąpiony półprzewodnikową przełączników. Mniejsza wersja służy do wyzwalania lamp błyskowych stosowanych w kamerach i światłach stroboskopowych .

Cewka indukcyjna (góra) zasilająca ścienny aparat rentgenowski 1915, z przerywaczem elektrolitycznym (dół) .
Cewka zapłonowa wibratora stosowana we wczesnych samochodach, takich jak Ford Model T około 1910 r
Nowoczesna samochodowa cewka zapłonowa , największe pozostałe zastosowanie dla cewek indukcyjnych

Zobacz też

Przypisy

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki