Катушка индуктивности

Катушка индуктивности – это элемент электрических цепей, используемый для накопления энергии магнитного поля. С использованием этих изделий изготавливаются колебательные резонансные контуры. Катушка называется так потому, что вокруг бобины-сердечника обматывается нить проволоки. Часто в радиотехнике эти элементы попросту и без затей именуют индуктивностями. Это более подходит случаю, потому что конструкции иной раз ничем не напоминают катушку.

История создания катушки индуктивности

Начнём с того, что катушки индуктивности наматываются разным числом проводов. Дело в том, что именно этот факт от нас скрывают на уроках физики, чтобы не забивать ученикам мозги, а потому и ломай себе голову, что такое бифилярная обмотка двигателя. Нитей бывает и больше, а потому выделяют также катушки индуктивности:

  • трифилярные;
  • тетрафилярные;
  • пентафилярные и пр.

Обычные катушки индуктивности называют унифилярными – нить проволоки лишь одна. Сразу же возникает справедливый вопрос – зачем все эти конструкции? И никто не знает, кем изобретена катушку индуктивности. Где-то ответы дают даже, что Тесла… На самом деле это все далеко от истины. Давайте попробуем разобраться, кто стоял у истоков.

Элемент накопления электромагнитной энергии

Элемент накопления электромагнитной энергии

В Ответах Майл.ру один знаток – не исключено, что админ – ответил: отцом катушек индуктивности является Майкл Фарадей, потому что, якобы, открыл магнитную индукцию (и согласно англоязычной страничке Википедии). Напрашивается вывод, что историковед не совсем владеет вопросом. Фарадей открыл индукцию на примере тороидального трансформатора с двумя изолированными обмотками. Это намного более сложная конструкция, нежели катушка, а само явление заключалось в том, что на выходе формировался скачок тока при изменении магнитного поля в сердечнике.

Более того, произошло это в 1831 году, тогда как первый электромагнит был сконструирован малоизвестным в России Уильямом Стердженом. И знаете, как выглядел прибор? Правильно – это была катушка индуктивности из 18 витков оголённой медной проволоки с хорошим лакированным ферромагнитным сердечником в форме подковы. При пропускании по обмотке тока все железо в округе притягивалось к устройству. И годом выхода первого электромагнита в свет историки считают 1824. Это раньше, нежели Фарадей начал эксперименты.

А все дело в том, что его наставник Хампфри Дэви счёл всю работу плагиатом. Ученик же не решался продолжить и конфликтовать открыто. Так получилось, что в 1829 году безвременно Хампфри Дэви ушёл из жизни, благодаря чему Майкл Фарадей возобновил работу. Но даже не потому мы считаем неверными скудные сведения из рунета по рассматриваемому вопросу. Вторая причина кроется в гальванометрах: первый был сконструирован 16 сентября 1820 года Иоганном Швейггером. А годом позже великий Ампер усовершенствовал прибор, и угадайте, что входило в состав новинки? Правильно – это была катушка индуктивности из нескольких витков проволоки.

А в 1826 году Феликс Савари разряжал лейденскую банку через несколько витков проволоки, обмотанной вокруг стальной иглы. Наблюдая при этом остаточную намагниченность металла. Фактически Савари создал первый колебательный контур и правильно сделал выводы о происходящих в нем процессах.

Таким образом, Майкл Фарадей никак не мог быть изобретателем индуктивности. Скорее учёный работал в этом направлении, вёл некоторые исследования и, конечно же, получил новый закон касательно электромагнетизма. В результате вопрос об изобретателе катушки индуктивности мы оставляем открытым. Но рискнём предположить, что у субъекта темы целых два отца:

Лаплас и Швейггер

Лаплас и Швейггер

  1. Лаплас на основе доклада Эрстеда высказал предположение о том, что действие тока на магнитную стрелку можно усилить, если провод изогнуть.
  2. Швейггер реализовал услышанное на практике, создав первый в мире гальванометр, использовав доклады Ампера о зависимости угла отклонения стрелки от силы тока.

Конструкция катушки индуктивности

Вокруг прямолинейного проводника с постоянным током создаётся круговое магнитное поле. Точнее говоря, линии его напоминают спираль. И вот кто-то догадался свернуть провод кольцом, чтобы вклад его элементарных сегментов сложился в центре. В результате внутри конструкции магнитное поле намного выше, нежели снаружи. Линии визуально можно наблюдать на железных опилках. На Ютуб есть множество роликов, где через индуктивность пропускают ток, демонстрируя упорядоченную ориентацию металлической пыли в момент замыкания контактов. Такая конструкция способна запасать впрок магнитное поле подобно тому, как конденсатор накапливает заряд, и катушками обычно называют только индуктивности, содержащие намотку из лакированного провода. В микрополосковой технологии напыляемые для запасания магнитного поля элементы логично именовать индуктивностями.

Читайте также:  Варочная индукционная панель

Если в катушке, совсем как в той, что используют швеи, несколько витков провода расположить один за другим бок о бок так, чтобы ось была общей, то линии напряжённости магнитного поля суммируются. Это и есть простейшая индуктивность, способная накапливать энергию в виде поля. При резком пропадании напряжения в сети за счёт этого образуется явление обратной-ЭДС широко известное в технике. Что, например, служит причиной искрения коллекторных двигателей. Используется лакированный (с лаковой изоляцией) медный провод нужного сечения. Количество витков и форма сердечника определяются предварительно расчётами или по имеющемуся образцу.

Противо-ЭДС во многих случаях является паразитной, и для её гашения последовательно с катушкой включают ёмкость того размера, чтобы как можно больше занизить суммарное реактивное сопротивление. В импеданс индуктивности входят с положительным знаком, а ёмкости – с отрицательным. Тесла действительно изобрёл катушку и взял на неё патент. Но конструкция представляла собой плоскую спираль (лабиринт) с двойной намоткой. Учёный показал, что в этом случае индуктивность имеет одновременно значительное ёмкостное сопротивление, в результате при исчезновении напряжения явления обратной ЭДС никак не проявляет себя.

Следует сказать, что бифилярные катушки и сегодня широко используются в этих целях. Что касается обратной ЭДС, то она служит причиной розжига разрядных ламп (в том числе дневного света). Но вернёмся к конструкции. Если в первом электромагните проволока была оголённой, то современные катушки индуктивности обычно наматываются из лакированного. Тонкая изоляция при необходимости может быть легко снята (например, токсичной муравьиной кислотой), но в исходном состоянии надёжно защищает конструкцию от короткого замыкания.

Внутри катушки обычно находится сердечник из ферромагнитного материала. О чем мы говорили выше. Форма его, строго говоря, не так важна, но сечение лучше всего брать круглым. На высоких частотах магнитный поток (см. Преобразователь напряжения) выходит на поверхность сердечника, поэтому смысл применения ферромагнитных сплавов пропадает, и иногда используется латунь (или даже композитные материалы, диэлектрики). Это намного снижает индуктивность, но на высоких частотах и запасаемая за период мощность невелика. Так что трюк вполне проходит. У многих возникает вопрос – зачем вообще нужен сердечник?

Сердечник катушки индуктивности является не только опорой или долговечным каркасом, но и усиливает магнитное поле. Дело в том, что индукция связана с напряжённостью поля через постоянную магнитной проницаемости среды. И у ферромагнитных материалов этот параметр поистине велик. В тысячи раз больше, нежели у воздуха и большинства металлов. Как бы то ни было, с ростом частоты не только необходимость в сердечнике снижается, но и возникают некоторые негативные эффекты, два из которых особенно важны:

Магнитное поле

Магнитное поле

  1. Переменное магнитное поле наводит вихревые токи, посредством которых функционируют индукционные плитки. Результат можете представить сами: какой нагрев сердечники может это вызывать. Вот почему сердечники силовых трансформаторов собираются не просто из специальной электротехнической стали с высоким сопротивлением, но и разбиваются на тонкие листы, изолированные друг от друга слоем лака. Шихтование позволяет сильно снизить влияние вихревых токов.
  2. Второй эффект называется перемагничиванием. Он не только отнимает энергию поля, но и вызывает нагрев материала. Это явление характерно только для ферромагнитных материалов и устраняется использованием, например, латуни.
Читайте также:  Цветовая температура

В микрополосковой технологии предусмотрено исполнение индуктивностей в виде плоских спиралей: проводящий материал через трафарет напыляется на подложку (один из методов). Это напоминает конструкцию Николы Тесла. Номинал такая катушка индуктивности имеет весьма малый, но иного и не надо на частотах СВЧ. Расчёт ведётся по специальным справочникам, хотя пользуются ими преимущественно инженеры-конструкторы.

Для намотки катушки индуктивности обычно используют специальные приспособления, напоминающие катушку для спиннинга. На ось одевается сердечник с ограничителем по бокам, вращая ручку, мастер внимательно считает количество оборотов, либо отмеряет нужную длину. Медленно, по способу челнока рука двигается влево и вправо, витки ровно ложатся один за другим.

Зачем нужны бифилярные катушки индуктивности

Иногда катушка наматывается в две и более проволочных нити. Зачем это нужно? Тесла такую конструкцию применял для увеличения ёмкостных качеств. В результате становилось возможным экономить на материалах – о чем мы уже говорили выше. Что касается состояния на современном этапе развития технологий, то причиной создания бифилярных катушек может быть следующее:

Бифилярные катушки индуктивности

Бифилярные катушки индуктивности

  1. Одна из обмоток заземляется. Это нужно для устранения паразитной противо-ЭДС, часто вызывающей искрение и некоторых других негативных эффектов. Когда резко пропадает напряжение, то магнитное поле по большей части наводит тока в заземлённой обмотке, поскольку именно так активное сопротивление цепи наименьшее. Как результат, эффект противо-ЭДС гасится. В импульсных реле вспомогательная обмотка закорачивается. Энергия поля в этом случае невелика и рассеивается на активном сопротивлении меди в виде тепла.
  2. Идеи Тесла не забыты. Очень часто в виде бифилярных катушек изготавливаются резисторы малого номинала. Начнём с того, что сопротивления вообще часто имеют схожее строение. Например, это всем известные МЛТ, где лента навивается на керамическое основание. Суть затеи в том, что повышенное ёмкостное сопротивление компенсирует индуктивность. Импеданс резистора обращается в чисто активный. Смысл такое мероприятие имеет при работе на переменном токе. В цепях постоянного мнимая часть импеданса (реактивное сопротивление) роли не играет.
  3. В импульсных блоках питания напряжение обычно одной полярности, хотя и меняется по амплитуде. Это позволяет бифилярный трансформатор защитить от явления паразитной противо-ЭДС, что во многих случаях спасает ключевой транзистор от пробоя. Дополнительная обмотка заземляется через диод, и в обычном режиме это не влияет на работу устройства. Но противо-ЭДС имеет обратное направление. В результате p-n-переход открывается, и разница потенциалов ограничивается прямым падением напряжения. Для кремниевых полупроводниковых диодов значение составляет 0,5 В. Понятно, что такое напряжение не может пробить ключевой транзистор практически любого типа.
  4. Идеи Тесла активно используются при создании вечных двигателей (в литературе: СЕ – сверхединичных устройств, с КПД выше 1). Используется возможность устранения реактивного сопротивления для идеализации процесса работы.

Параметры катушек индуктивности

Главной характеристикой катушек является индуктивность. Это физическая величина, в системе СИ измеряемая в Гн (генри), характеризующая величину мнимой составляющей сопротивления конструкции. Именно этот параметр показывает, как много магнитного поля может запасти катушка. Для простоты энергию за период считают пропорциональной произведению LI2, где L и есть индуктивность, а I – протекающий в системе ток.

Формула расчёта индуктивности

Формула расчёта индуктивности

Теоретический расчёт главного параметра катушек сильно зависит от конструкции. Обычно для этого выпускаются специальные методические пособия, и формула (см. рисунок: S – площадь сечения намотки, l – длина катушки, N – количество витков проволоки, кроме того в формулу магнитная постоянная и магнитная проницаемость сердечника), приведённая на картинке является частным вариантом. Тем самым, когда индуктивность напоминает катушку. Имеются и специальные программы для персонального компьютера, во многом упрощающие процесс.

К вторичным параметра катушек индуктивности можно отнести:

  • Добротность. Характеризует потери на активном сопротивлении.
  • Собственная индуктивность (см. выше).
  • Температурная стабильность параметров.