Индукционная катушка

редактировать
Старинная индукционная катушка, используемая в школах, примерно с 1900 года, Бремерхафен, Германия Индукционная катушка с изображением конструкции, с 1920 года.

индукционная катушка или «искровая катушка» (архаично известная как индуктор или катушка Румкорфа в честь Генриха Рюмкорфа ) представляет собой тип электрического трансформатора, который используется для создания высоковольтных импульсов от низковольтного источника постоянного тока (DC). Для создания изменений потока , необходимых для индукции напряжения во вторичной катушке, постоянный ток в первичной катушке многократно прерывается вибрирующим механическим контактом , который называется прерывателем. Изобретенная в 1836 году Николасом Калланом, после дополнительных исследований Чарльзом Графтоном Пейджем и другими, индукционная катушка была первым типом трансформатора. Он широко использовался в рентгеновских аппаратах, радиопередатчиках с искровым разрядником, дуговом освещении и шарлатанских медицинских устройствах электротерапии 1880-х годов. к 1920-м годам. Сегодня его единственное распространенное использование - это катушки зажигания в двигателях внутреннего сгорания и в физическом образовании для демонстрации индукции.

Содержание

  • 1 Конструкция и функции
    • 1.1 Прерыватель
    • 1.2 Конденсатор
    • 1.3 Детали конструкции
  • 2 Ртутные и электролитические прерыватели
  • 3 История
  • 4 См. Также
  • 5 Сноски
  • 6 Дополнительная литература
  • 7 Внешние ссылки

Конструкция и принцип действия

Принципиальная схема

Индукционная катушка состоит из двух витков изолированного провода, намотанного на общий железный сердечник (M). Одна катушка, называемая первичной обмоткой (P), состоит из относительно небольшого количества (десятков или сотен) витков грубого провода. Другая катушка, вторичная обмотка, (S) обычно состоит из миллиона витков тонкой проволоки (до 40 калибра).

А электрический ток проходит через первичную обмотку, создавая магнитное поле. Из-за общего сердечника большая часть магнитного поля первичной обмотки связана с вторичной обмоткой. Первичная обмотка действует как индуктор, накапливая энергию в соответствующем магнитном поле. Когда первичный ток внезапно прерывается, магнитное поле быстро разрушается. Это вызывает появление импульса высокого напряжения на клеммах вторичной обмотки за счет электромагнитной индукции. Из-за большого количества витков вторичной катушки импульс вторичного напряжения обычно составляет многие тысячи вольт. Этого напряжения часто бывает достаточно, чтобы вызвать электрическую искру, перепрыгнувшую через воздушный зазор (G), разделяющий выходные клеммы вторичной обмотки. По этой причине индукционные катушки были названы искровыми катушками.

Индукционная катушка традиционно характеризуется длиной искры, которую она может произвести; Индукционная катушка диаметром 4 дюйма (10 см) могла произвести искру диаметром 4 дюйма. До разработки электронно-лучевого осциллографа это было наиболее надежное измерение пикового напряжения таких асимметричных сигналов. Взаимосвязь между длиной искры и напряжением линейна в широком диапазоне:

4 дюйма (10 см) = 110 кВ; 8 дюймов (20 см) = 150кВ; 12 дюймов (30 см) = 190кВ; 16 дюймов (41 см) = 230 кВ

Кривые, представленные современными эталонами, полностью соответствуют этим значениям.

Прерыватель

Без конденсатора С конденсатором Формы сигналов в индукционной катушке с выход открыт (нет искры). i1(синий) - ток в первичной обмотке катушки, v2(красный) - напряжение на вторичной обмотке. Не в обычном масштабе; v2на нижнем чертеже намного больше.

Чтобы катушка работала непрерывно, необходимо многократно подключать и отключать постоянный ток питания, чтобы создать изменения магнитного поля, необходимые для индукции. Для этого в индукционных катушках используется активируемый магнитом вибрирующий рычаг, называемый прерывателем или разрывом (A), для быстрого подключения и прерывания тока, текущего в первичную катушку. Прерыватель устанавливается на конце катушки рядом с железным сердечником. При включении питания увеличивающийся ток в первичной катушке создает увеличивающееся магнитное поле, магнитное поле притягивает железный якорь прерывателя (A). Через некоторое время магнитное притяжение преодолевает силу пружины якоря, и якорь начинает двигаться. Когда якорь перемещается достаточно далеко, пара контактов (K) в первичной цепи размыкается и отключает первичный ток. Отключение тока вызывает коллапс магнитного поля и образование искры. Кроме того, сжатое поле больше не притягивает якорь, поэтому сила пружины ускоряет якорь до его исходного положения. Через некоторое время контакты снова соединяются, и ток снова начинает создавать магнитное поле. Весь процесс начинается заново и повторяется много раз в секунду. Вторичное напряжение v 2 (красный, слева) примерно пропорционально скорости изменения первичного тока i 1 (синий).

Противоположные потенциалы индуцируются во вторичной обмотке, когда прерыватель «разрывает» цепь и «замыкает» цепь. Однако изменение тока в первичной обмотке гораздо более резкое, когда прерыватель «ломается». Когда контакты замыкаются, ток в первичной обмотке медленно нарастает, потому что напряжение питания имеет ограниченную способность проталкивать ток через индуктивность катушки. Напротив, когда контакты прерывателя размыкаются, ток внезапно падает до нуля. Таким образом, импульс напряжения, индуцированный во вторичной обмотке при «обрыве», намного больше, чем импульс, наведенный при «закрытии», именно «обрыв» генерирует высоковольтное выходное напряжение катушки.

Конденсатор

Дуга образуется на контактах прерывателя при размыкании, что имеет нежелательные эффекты: дуга потребляет энергию, накопленную в магнитном поле, снижает выходное напряжение и повреждает контакты. Чтобы предотвратить это, к первичной катушке подключается гасящий конденсатор (C) от 0,5 до 15 мкФ, чтобы замедлить рост напряжения после разрыва. Конденсатор и первичная обмотка вместе образуют настроенную цепь, поэтому при разрыве затухающая волна течет в первичной обмотке и аналогичным образом вызывает затухающую волну во вторичной. В результате высоковольтный выход состоит из серии затухающих волн (слева).

Детали конструкции

Для предотвращения выхода высокого напряжения, генерируемого в катушке, от разрушения тонкой изоляция и искрение между вторичными проводами, вторичная обмотка использует специальную конструкцию, чтобы избежать расположения рядом друг с другом проводов, несущих большие перепады напряжения. В одном широко используемом методе вторичная обмотка наматывается на множество тонких плоских участков в форме блинов (называемых «пирогами»), соединенных последовательно серией. Первичная обмотка сначала наматывается на железный сердечник и изолируется от вторичной обмотки толстой бумагой или резиновым покрытием. Затем каждая вторичная катушка подключается к катушке рядом с ней и надевается на железный сердечник, изолированный от прилегающих катушек с помощью вощеных картонных дисков. Напряжение, развиваемое в каждой суб-катушке, недостаточно велико для перехода между проводами в суб-катушке. Большие напряжения возникают только во многих последовательно соединенных катушках, которые слишком удалены друг от друга, чтобы их можно было перебросить. Чтобы обеспечить окончательное изоляционное покрытие всей катушки, ее погружают в расплавленный парафин или канифоль ; воздух откачивается, чтобы убедиться, что внутри не осталось пузырьков воздуха, а парафину дают затвердеть, поэтому весь змеевик покрывается воском.

Для предотвращения вихревых токов, вызывающих потери энергии, железный сердечник состоит из пучка параллельных железных проводов, индивидуально покрытых шеллаком для их электрической изоляции. Вихревые токи, протекающие в сердечнике по петлям перпендикулярно магнитной оси, блокируются слоями изоляции. Концы изолированной первичной катушки часто выступали на несколько дюймов от любого конца вторичной катушки, чтобы предотвратить дугу от вторичной обмотки к первичной обмотке или сердечнику.

Ртутные и электролитические прерыватели

(слева) 3-х электродный прерыватель Wehnelt, используемый в катушках большой мощности. (справа) Прерыватель турбины Mercury. Мотор вращает зубчатое колесо, при этом на зубья распыляется струя ртути. Регулируя колесо вверх и вниз, можно изменить рабочий цикл первичного тока.

Хотя все современные индукционные катушки, используемые в образовательных целях, используют прерыватель типа «молоток» с вибрирующим рычагом, описанный выше, они не подходили для питания больших индукционных катушек. катушки, используемые в радиопередатчиках с искровым разрядником и рентгеновских аппаратах на рубеже 20-го века. В мощных катушках большой первичный ток создавал дуги на контактах прерывателя, которые быстро разрушали контакты. Кроме того, поскольку каждый «разрыв» вызывает импульс напряжения на катушке, чем больше разрывов в секунду, тем больше выходная мощность. Молотковые прерыватели не могли прерываться со скоростью более 200 прерываний в секунду, а те, которые использовались на мощных катушках, ограничивались 20-40 прерываниями в секунду.

Поэтому много исследований было направлено на улучшение прерывателей, и улучшенные конструкции были использованы в катушках большой мощности, с молотковыми прерывателями, используемыми только на небольших катушках с искрой менее 8 дюймов. Леон Фуко и другие разработали прерыватели, состоящие из колеблющейся иглы, погружающейся в контейнер с ртутью и из него. Ртуть была покрыта слоем спирта, который быстро гасил дугу, вызывая более быстрое переключение. Они часто приводились в действие отдельным электромагнитом или двигателем, который позволял регулировать скорость прерывания и время ожидания отдельно от первичного тока.

В самых больших катушках использовались электролитические или ртутные турбинные прерыватели. Электролитический прерыватель или прерыватель Венельта, изобретенный Артуром Венельтом в 1899 г., состоял из короткой платиновой иглы анода, погруженной в электролит разбавленной серной кислоты, с другой стороны цепь подключена к свинцовой пластине катод. Когда первичный ток Не проходя через нее, на игле образовывались пузырьки газообразного водорода, которые многократно разрывали цепь. Это привело к случайному прерыванию первичного тока со скоростью до 2000 прерываний в секунду. Они были предпочтительны для питания рентгеновских трубок. Они выделяли много тепла и из-за водорода могли взорваться. Ртутные прерыватели турбины имели центробежный насос , который распылял поток жидкости ртути на вращающиеся металлические контакты. Они могли обеспечивать скорость прерывания до 10 000 прерываний в секунду и были наиболее широко используемым типом прерывателя на коммерческих беспроводных станциях.

История

Ранняя катушка Уильяма Стерджена, 1837. Пилообразное колесо прерывателя цинка (D) вращалось вручную. Первая катушка, в которой использовался разделенный сердечник из железных проводов (F) для предотвращения вихревых токов. Ранняя катушка Чарльза Г. Пейджа, 1838 г., имела один из первых автоматических прерывателей. Чаша была наполнена ртутью. Магнитное поле притягивало железную деталь на рычаге (слева), поднимая провод из чашки, разрывая первичную цепь. Индукционная катушка Генриха Румкорфа, 1850-е годы. Помимо молоткового прерывателя (справа), у него был ртутный прерыватель от Физо (слева), который можно было регулировать для изменения времени задержки. Одна из самых больших катушек, когда-либо созданных, построенная в 1877 году Альфредом Аппсом для Уильяма Споттисвуда. Обмотка проводом длиной 280 миль может вызвать искру 42 дюйма (106 см), что соответствует примерно одному миллиону вольт. Работает от жидкостных батарей емкостью 30 литров и отдельного прерывателя (не показан). Первая индукционная катушка, построенная Николасом Калланом в 1836 году.

Индукционная катушка была первым типом электрического трансформатора. Во время его разработки между 1836 и 1860-ми годами, в основном методом проб и ошибок, исследователи обнаружили многие принципы, которые управляли всеми трансформаторами, такие как пропорциональность между витками и выходным напряжением и использование «разделенного» железного сердечника для уменьшения вихретоковые потери.

Майкл Фарадей открыл принцип индукции, закон индукции Фарадея в 1831 году и провел первые эксперименты с индукцией между витками проволоки. Индукционная катушка была изобретена американским врачом Чарльзом Графтоном Пейджем в 1836 году и независимо ирландским ученым и католическим священником Николасом Калланом в том же году в Св. Патрика, Мейнут и усовершенствованный Уильямом Стердженом. Джордж Генри Баххоффнер и Стерджен (1837) независимо друг от друга обнаружили, что «разделенный» железный сердечник из железных проводов снижает потери мощности. Ранние катушки имели прерыватели с ручным приводом, изобретенные Калланом и Антуаном Филибером Массоном (1837). Автоматический прерыватель типа «молоток» был изобретен преподобным профессором Джеймсом Уильямом МакГоли (1838) из Дублина, Ирландия, Иоганном Филиппом Вагнером (1839) и Кристианом Эрнстом Неффом (1847). Ипполит Физо (1853 г.) ввел использование гасящего конденсатора. Генрих Румкорф генерировал более высокие напряжения за счет значительного увеличения длины вторичной обмотки, в некоторых катушках использовался 5 или 6 миль (10 км) провода и производился искры до 16 дюймов. В начале 1850-х годов американский изобретатель Эдвард Сэмюэл Ричи представил разделенную вторичную конструкцию для улучшения изоляции. Джонатан Нэш Хердер работал над индукционными катушками. Индукционная катушка Каллана была названа IEEE Milestone в 2006 году.

Индукционные катушки использовались для обеспечения высокого напряжения для ранних газовых разрядов и трубок Крукса и другие исследования высокого напряжения. Они также использовались для развлечения (например, для освещения ламп Гейсслера ) и для управления небольшими «шоковыми катушками», катушками Тесла и устройствами фиолетового луча, используемыми в шарлатанское лекарство. Они использовались Герцем для демонстрации существования электромагнитных волн, как предсказывали Джеймс Клерк Максвелл и Лодж и Маркони в первые исследования радиоволн. Их наибольшее промышленное использование, вероятно, было в первых беспроводных телеграфных радиопередатчиках с искровым разрядником и для питания первых рентгеновских трубок с холодным катодом с 1890-х до 1920-х годов, после чего они были вытеснены в обоих этих приложениях трансформаторами переменного тока и электронными лампами. Однако в наибольшей степени они использовались в качестве катушки зажигания или искровой катушки в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания , где они все еще используются, хотя контакты прерывателя теперь заменены твердотельными переключателями . Меньшая версия используется для запуска ламп, используемых в камерах, и стробоскопов.

Индукционная катушка (вверху), питающая настенный рентгеновский аппарат 1915 года, с электролитическим прерывателем (внизу). Вибраторная катушка зажигания, использовавшаяся в ранних автомобилях, таких как Ford Model T около 1910 года Современный автомобиль катушка зажигания, наибольшее оставшееся использование для индукционных катушек

См. Также

Сноски

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-24 14:22:08
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте