Индукционная катушка
Индукционная катушка | |
---|---|
![]() Старинная индукционная катушка, используемая в школах, примерно 1900 года, Бремерхафен, Германия. | |
Классификация | Трансформатор |
Промышленность | Электроэнергия |
Приложение | Высокое напряжение |
изобретатель | Николас Каллан |
Изобретенный | 1836 |

Индукционная катушка или «искровая катушка» ( архаично известная как индукционная катушка или катушка Румкорфа) . [1] в честь Генриха Рюмкорфа ) — разновидность электрического трансформатора. [2] [3] [4] низкого напряжения используется для создания импульсов высокого напряжения от источника постоянного тока (DC). [1] [5] Чтобы создать изменения потока , необходимые для возбуждения напряжения во вторичной катушке, постоянный ток в первичной катушке неоднократно прерывается вибрирующим механическим контактом , называемым прерывателем . [1] Изобретён в 1836 году ирландско-католическим священником Николасом Калланом при дополнительных исследованиях Чарльза Графтона Пейджа и других. [1] индукционная катушка была первым типом трансформатора. Он широко использовался в рентгеновских аппаратах , [1] [6] искровые радиопередатчики , [1] [6] дуговое освещение и шарлатанские медицинские электротерапевтические устройства с 1880-х по 1920-е годы. Сегодня его единственное широкое применение — это катушки зажигания в двигателях внутреннего сгорания и в физике для демонстрации индукции .
Конструкция и функции
[ редактировать ]
Индукционная катушка состоит из двух катушек изолированного провода, намотанных на общий железный сердечник (М) . [1] [7] Одна катушка, называемая первичной обмоткой (П) , состоит из относительно небольшого количества (десятков или сотен) витков грубого провода. [7] Другая катушка, обмотка вторичная (S), обычно состоит из миллиона витков тонкой проволоки (калибра до 40). [8] [1] [7]
Электрический ток проходит через первичную обмотку, создавая магнитное поле . [1] [7] Из-за общего сердечника большая часть магнитного поля первичной обмотки взаимодействует со вторичной обмоткой. [ нужна ссылка ] Первичная обмотка ведет себя как индуктор , сохраняя энергию в соответствующем магнитном поле. Когда первичный ток внезапно прерывается, магнитное поле быстро разрушается. Это приводит к высокого напряжения возникновению импульса на клеммах вторичной обмотки за счет электромагнитной индукции . Из-за большого количества витков вторичной обмотки импульс вторичного напряжения обычно составляет многие тысячи вольт . Этого напряжения часто бывает достаточно, чтобы вызвать электрическую искру , которая перескочит через воздушный зазор (G), разделяющий выходные клеммы вторичной обмотки. По этой причине индукционные катушки назывались искровыми катушками.
Индукционная катушка традиционно характеризуется длиной искры, которую она может произвести; индукционная катушка «4 дюйма» (10 см) могла произвести 4-дюймовую искру. До разработки электронно-лучевого осциллографа это было наиболее надежное измерение пикового напряжения таких асимметричных сигналов. Зависимость между длиной искры и напряжением линейна в широком диапазоне:
- 4 дюйма (10 см) = 110 кВ; 8 дюймов (20 см) = 150 кВ; 12 дюймов (30 см) = 190 кВ; 16 дюймов (41 см) = 230 кВ [9]
Кривые, предоставленные по ссылке 1984 года, близко соответствуют этим значениям. [10]
Прерыватель
[ редактировать ]Чтобы катушка работала непрерывно, постоянный ток питания необходимо неоднократно подключать и отключать, чтобы создать изменения магнитного поля, необходимые для индукции. [1] Для этого в индукционных катушках используется вибрирующий рычаг с магнитной активацией, называемый прерывателем или прерывателем ( А ), который быстро подключает и прерывает ток, текущий в первичную катушку. [1] Прерыватель установлен на конце катушки рядом с железным сердечником. При включении питания возрастающий ток в первичной обмотке создает возрастающее магнитное поле, магнитное поле притягивает железный якорь прерывателя ( А ). Через некоторое время магнитное притяжение преодолевает силу пружины якоря, и якорь начинает двигаться. Когда якорь переместится достаточно далеко, пара контактов ( К ) в первичной цепи разомкнется и отключит первичный ток. Отключение тока приводит к коллапсу магнитного поля и возникновению искры. Кроме того, сжатое поле больше не притягивает якорь, поэтому сила пружины ускоряет якорь до 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 «размыкает» цепь и «замыкает» цепь. Однако изменение тока в первичной обмотке происходит гораздо более резко, когда прерыватель «ломается». Когда контакты замыкаются, ток в первичной обмотке медленно нарастает, поскольку напряжение питания имеет ограниченную способность пропускать ток через индуктивность катушки. Напротив, когда контакты прерывателя размыкаются, ток внезапно падает до нуля. Таким образом, импульс напряжения, индуцируемый во вторичной обмотке при «обрыве», намного больше, чем импульс, индуцируемый при «замыкании», именно «обрыв» генерирует выходное высокое напряжение катушки.
Конденсатор
[ редактировать ]При разрыве контактов прерывателя образуется дуга, которая имеет нежелательные последствия: дуга поглощает энергию, запасенную в магнитном поле, снижает выходное напряжение и повреждает контакты. [11] Чтобы этого не произошло, параллельно первичной обмотке подключают гасящий конденсатор (С) емкостью от 0,5 до 15 мкФ для замедления нарастания напряжения после обрыва. Конденсатор и первичная обмотка вместе образуют настроенную цепь , поэтому при разрыве затухающая синусоидальная волна тока течет в первичной обмотке и аналогичным образом индуцирует затухающую волну во вторичной обмотке. В результате выходное напряжение высокого напряжения состоит из серии затухающих волн (слева) . [ нужна ссылка ]
Детали строительства
[ редактировать ]Чтобы высокое напряжение, генерируемое в катушке, не разрушало тонкую изоляцию и не образовывало дугу между вторичными проводами, вторичная катушка имеет специальную конструкцию, позволяющую избежать расположения проводов с большой разницей напряжений рядом друг с другом. В одном широко используемом методе вторичная катушка наматывается на множество тонких плоских секций в форме блинов (так называемых «пирогов»), соединенных последовательно . [12] [1]
Первичную катушку сначала наматывают на железный сердечник и изолируют от вторичной толстой бумагой или резиновым покрытием. [1] Затем каждая вторичная катушка соединяется с катушкой рядом с ней и надевается на железный сердечник, изолированный от соседних катушек вощеными картонными дисками. Напряжение, развиваемое в каждой субкатушке, недостаточно велико, чтобы перескакивать между проводами субкатушки. [1] Большие напряжения возникают только на многих последовательных катушках, которые расположены слишком далеко друг от друга, чтобы не возникла дуга. Чтобы придать всей катушке окончательное изолирующее покрытие, ее погружают в расплавленный парафин или канифоль ; воздух откачивается, чтобы убедиться, что внутри не осталось пузырьков воздуха, и парафину дают затвердеть, поэтому весь змеевик покрывается воском.
Чтобы предотвратить вихревые токи , которые вызывают потери энергии, железный сердечник состоит из пучка параллельных железных проволок, индивидуально покрытых шеллаком для их электрической изоляции. [1] Вихревые токи, протекающие по петлям в сердечнике перпендикулярно магнитной оси, блокируются слоями изоляции. Концы изолированной первичной катушки часто выступали на несколько дюймов с любого конца вторичной катушки, чтобы предотвратить возникновение дуги от вторичной обмотки к первичной или сердечнику.
Ртутные и электролитические прерыватели
[ редактировать ]Хотя все современные индукционные катушки, используемые в образовательных целях, используют прерыватель типа «молоток» с вибрирующим рычагом, описанный выше, они были недостаточны для питания больших индукционных катушек, используемых в искровых радиопередатчиках и рентгеновских аппаратах на рубеже 20-го века. В мощных катушках высокий первичный ток создавал дуги на контактах прерывателя, которые быстро разрушали контакты. [1] Кроме того, поскольку каждый «обрыв» создает импульс напряжения на катушке, чем больше разрывов в секунду, тем выше выходная мощность. Молотковые прерыватели не могли обеспечить скорость прерывания более 200 разрывов в секунду, а те, которые использовались на мощных катушках, были ограничены 20–40 перерывами в секунду.
Поэтому было проведено много исследований по совершенствованию прерывателей, и улучшенные конструкции использовались в катушках большой мощности, при этом молотковые прерыватели использовались только на небольших катушках с искрой до 8 дюймов. [13] Леон Фуко и другие разработали прерыватели, состоящие из колеблющейся иглы, погружающейся в контейнер с ртутью и вынимающейся из него . [1] Ртуть была покрыта слоем спирта, который быстро гасил дугу, вызывая более быстрое переключение. Часто они приводились в движение отдельным электромагнитом или двигателем. [1] что позволило регулировать частоту прерываний и время «выдержки» отдельно от первичного тока.
В самых больших катушках использовались электролитические или ртутные турбинные прерыватели. [1] Электролитический прерыватель, или прерыватель Венельта, изобретенный Артуром Венельтом в 1899 году, состоял из короткого платинового игольчатого анода, погруженного в электролит разбавленной серной кислоты , при этом другая сторона цепи была соединена со свинцовым пластинчатым катодом . [1] [14] Когда через него проходил первичный ток, на игле образовывались пузырьки водорода, которые неоднократно разрывали цепь. Это приводило к случайному обрыву первичного тока со скоростью до 2000 обрывов в секунду. Их предпочитали для питания рентгеновских трубок. Они выделяли много тепла и из-за этого водород мог взорваться. Ртутные турбинные прерыватели имели центробежный насос, который распылял струю жидкой ртути на вращающиеся металлические контакты. [1] Они могли достигать частоты прерываний до 10 000 прерываний в секунду и были наиболее широко используемым типом прерывателей на коммерческих беспроводных станциях. [1] [14]
История
[ редактировать ]
Индукционная катушка была первым типом электрического трансформатора . В ходе его разработки между 1836 и 1860-ми годами, в основном методом проб и ошибок, исследователи открыли многие принципы, которые управляли всеми трансформаторами, такие как пропорциональность между витками и выходным напряжением и использование «разделенного» железного сердечника для уменьшения на вихревые токи. потерь .
Майкл Фарадей открыл принцип индукции, закон индукции Фарадея , в 1831 году и провел первые эксперименты с индукцией между катушками проволоки. [15] Индукционная катушка была изобретена американским врачом Чарльзом Графтоном Пейджем в 1836 году. [16] [17] и независимо ирландским ученым и католическим священником Николасом Калланом в том же году в Колледже Святого Патрика в Мейнуте. [1] [18] [19] [20] [21] и улучшен Уильямом Стердженом . [1] Джордж Генри Баххоффнер [1] и Стерджен (1837) независимо обнаружили, что «разделенный» железный сердечник из железных проволок снижает потери мощности. [22] Первые катушки имели прерыватели с ручным заводом, изобретенные Калланом и Антуаном Филибером Массонами (1837 г.). [23] [24] [25] Автоматический прерыватель «молоток» был изобретен преподобным профессором Джеймсом Уильямом МакГоли (1838 г.) из Дублина, Ирландия. [16] [26] Иоганн Филипп Вагнер (1839 г.) и Кристиан Эрнст Нефф (1847 г.). [1] [27] [28] Ипполит Физо (1853 г.) ввел использование гасящего конденсатора. [1] [29] [30] Генрих Румкорф генерировал более высокие напряжения за счет значительного увеличения длины вторичной обмотки. [1] в некоторых катушках использовалась проволока длиной 5 или 6 миль (10 км) и производились искры длиной до 16 дюймов. В начале 1850-х годов американский изобретатель Эдвард Сэмюэл Ритчи представил разделенную вторичную конструкцию для улучшения изоляции. [31] [32] Джонатан Нэш Хердер работал над индукционными катушками. [33] [34] [35] [36] [37] Индукционная катушка Каллана была названа вехой IEEE в 2006 году. [38]
Индукционные катушки использовались для обеспечения высокого напряжения для первых газовых разрядов , трубок Крукса и других исследований высокого напряжения. Они также использовались для развлечения ( освещение трубок Гейсслера например, ) и для приведения в действие небольших «шоковых катушек», катушек Теслы и фиолетового луча, устройств используемых в шарлатанской медицине . Они были использованы Герцем для демонстрации существования электромагнитных волн, как это было предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом , а также Лоджем и Маркони в первых исследованиях радиоволн. Их наибольшее промышленное применение, вероятно, наблюдалось в первых беспроводных телеграфных радиопередатчиках с искровым разрядником и для питания первых с холодным катодом рентгеновских трубок с 1890-х по 1920-е годы, после чего в обоих этих приложениях они были вытеснены трансформаторами переменного тока и электронными лампами . Однако их наибольшее применение было в качестве катушки зажигания или катушки зажигания в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания , где они используются до сих пор, хотя контакты прерывателя теперь заменены твердотельными переключателями. Меньшая версия используется для запуска лампы-вспышки, используемые в фотоаппаратах и стробоскопах .
См. также
[ редактировать ]- Катушка зажигания
- Дрожащая катушка
- Датчик искрового разрядника
- Трансформатор
- Катушка Теслы
- Закон индукции Фарадея
- Система зажигания
- Индуктор
- Магнитное поле
- Николас Каллан
Сноски
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 14 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 502–505.
- ^ «Аннус Мирабилис» . Новый учёный . 5 (19). Лондон: Reed Business Information: 445. Февраль 1959 г. . Проверено 20 ноября 2018 г.
- ^ Стрикленд, Джеффри (2011). Странные учёные: создатели квантовой физики . Лулу. п. 98. ИСБН 978-1-257-97624-9 .
- ^ Уэйгуд, Адриан (2016). Электротехника для технических специалистов . Рутледж. п. 162. ИСБН 978-1-317-53491-4 .
- ^ Коллинз, Арчи Ф. (1908). Проектирование и изготовление индукционных катушек . Нью-Йорк: Манн и Ко. с. 98 . стр.98
- ^ Jump up to: а б Коллинз, 1908, с. III
- ^ Jump up to: а б с д Коллинз, 1908, с. 16-19
- ^ Циклопедия прикладного электричества , Американская школа корреспонденции, Чикаго (1908), Электричество и магнетизм, 74. Индукционные катушки.
- ^ Шалл, К. (1914). Электромедицинские инструменты и управление ими . Шалл и сын Лондон.
- ^ Э. Куффель; В. С. Зенгль (1984). Техника высокого напряжения . Пергамон Пресс. п. 374. ИСБН 0-08-024212-Х .
- ^ Шалл, К. (1905). Электромедицинские инструменты и управление ими . Bemrose & Sons Ltd. Принтеры. стр. 78 .
- ^ Шнайдер, Норман Х. (1896). Индукционные катушки Румкорфа, их конструкция, работа и применение . Спон и Чемберлен. С. 10 -14, 16.
- ^ Коллинз, 1908, с. 98
- ^ Jump up to: а б Мур, Артур (1911). Как сделать беспроводной комплект . компании Popular Mechanics Co. Чикаго: ISBN 978-1-4400-4874-6 .
Электролитический прерыватель состоит из сосуда с раствором разбавленной серной кислоты с двумя выводами, погруженными в этот раствор. Положительная клемма или анод изготовлена из платины и должна иметь поверхность около 3/16 дюйма. [sic] Отрицательная клемма или катод изготовлена из свинца и должна иметь площадь около 1 кв. фута. соединенный последовательно с первичной обмоткой индукционной катушки и источником электродвижущей силы напряжением около 40 вольт, цепь будет прервана из-за образования и схлопывания пузырьков на платиновом электроде.
На странице 31 описан электролитический прерыватель, но не указан прерыватель Венельта. - ^ Фарадей, Майкл (1834). «Экспериментальные исследования в области электричества. Седьмая серия». Философские труды Лондонского королевского общества . 124 : 77–122. Бибкод : 1834RSPT..124...77F . дои : 10.1098/rstl.1834.0008 . S2CID 116224057 .
- ^ Jump up to: а б Пейдж, Чарльз Графтон (1867). История индукции: американские претензии на индукционную катушку и ее электростатические разработки . Вашингтон, округ Колумбия: Типография Intelligencer. С. 26–27 , 57.
- ^ Чарник, Стэнли А. (март 1993 г.). «Классическая индукционная катушка» (PDF) . Популярная электроника . 9 (3): 35–40. ISSN 1042-170X . Проверено 3 сентября 2015 г. , заархивировано. Архивировано 30 октября 2016 г. на Wayback Machine.
- ^ Каллан, Нью-Джерси (декабрь 1836 г.). «О новой гальванической батарее» . Философский журнал . 9 (3): 472–478. дои : 10.1080/14786443608649044 . Проверено 14 февраля 2013 г.
- ^ Каллан, Нью-Джерси Описание электромагнитного повторителя в Стерджен, Эд. Уильям (1837). Анналы электричества, магнетизма и химии, Vol. 1 . Лондон: Шервуд, Гилберт и Пайпер. стр. 229–230. и стр.522 рис. 52
- ^ Флеминг, Джон Амброуз (1896). Трансформатор переменного тока в теории и практике, Vol. 2 . Лондон: The Electrician Publishing Co., стр. 16–18.
- ^ МакКейт, Найл. «Преподобный профессор Николас Каллан» . Национальный музей науки . Колледж Святого Патрика, Мейнут. Архивировано из оригинала 25 февраля 2013 года . Проверено 14 февраля 2013 г.
- ^ Флеминг (1896) Трансформатор переменного тока в теории и практике, Vol. 2 , с. 10-11
- ^ Массон, Антуан Филибер (1837). «Отчет о нескольких воспоминаниях, касающихся особого способа действия электрического тока» . Отчеты . 4 : 456–460 . Проверено 14 февраля 2013 г. На странице 458 описано прерывание, состоящее из зубчатого колеса.
- ^ Массон, А. (1837). «О индукции тока в себе» . Анналы химии и физики . 66 :5–36 . Проверено 14 февраля 2013 г.
- ^ Массон, Антуан Филибер; Луи Бреге (1841 г.). «Память на индукции» . Анналы химии и физики . 4 (3): 129–152 . Проверено 14 февраля 2013 г. На странице 134 Массон описывает зубчатые колеса, выполнявшие функцию прерывателя.
- ^ МакГоли, JW (1838 г.). «Электромагнитные аппараты для производства электроэнергии высокой интенсивности». Труды Британской ассоциации содействия развитию науки . 7:25 . Представлено на собрании в сентябре 1837 года в Ливерпуле, Англия.
- ^ Нефф, Кристиан Эрнст (1839). «О новом электромагнитном двигателе» . Анналы физики и химии . 46 : 104–127 . Проверено 14 февраля 2013 г.
- ^ Нефф, К. (1835). «Искровое колесо, устройство для быстрого попеременного замыкания и размыкания гальванических цепей» . Анналы физики и химии . 36 : 352–366 . Проверено 14 февраля 2013 г. Описание более раннего прерывателя с зубчатым колесом Неффа и Вагнера.
- ^ Физо, Х. (1853). «Заметки об электроиндукционных машинах и о простом способе усиления их эффекта» . Comptes Rendus (на французском языке). 36 :418–421 . Проверено 14 февраля 2013 г.
- ^ Севернс, Руди. «История мягкого переключения, часть 2» (PDF) . Ресурсный центр дизайна . Журнал Switching Power. Архивировано из оригинала (PDF) 16 июля 2011 г. Проверено 16 мая 2008 г.
- ^ Американская академия искусств и наук, Труды Американской академии искусств и наук , Том. XXIII, май 1895 г. - май 1896 г., Бостон: University Press, Джон Уилсон и сын (1896), стр. 359-360.
- ^ Пейдж, Чарльз Г., История индукции: американские претензии на индукционную катушку и ее электростатические разработки , Вашингтон, округ Колумбия: Типография Intelligencer (1867), стр. 104-106.
- ^ Флеминг, Дж. А. (1891). «Историческое развитие индукционной катушки и трансформатора» . Электрик . 26–27: V26:––417, V27: 211–213, 246–248, 300–302, 359–361, 433–435. на странице 360.
- ^ «Индукционная катушка Хердера». Журнал Института Франклина . 63 (3): 179–81. 1857 г. дои : 10.1016/0016-0032(57)90712-3 .
- ^ «Улучшенная индукционная катушка». Философский журнал . Серия 4. 13 (88): 471. 1857. doi : 10.1080/14786445708642330 .
- ^ «Улучшенная индукционная катушка». Философский журнал . Серия 4. 14 (93): 319–20. 1857. дои : 10.1080/14786445708642396 .
- ^ Хердер, Ян Г. (сентябрь 2004 г.). «Хердер, Джонатан Нэш (1809–1876)» . Оксфордский национальный биографический словарь . Издательство Оксфордского университета . Проверено 7 апреля 2010 г.
- ^ «Вехи: новаторский вклад Каллана в электротехнику и технологии, 1836 г.» . Сеть глобальной истории IEEE . ИИЭЭ . Проверено 26 июля 2011 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Норри, Х.С., « Индукционные катушки: как их делать, использовать и ремонтировать ». Норман Х. Шнайдер, 1907 год, Нью-Йорк. 4-е издание.
- Коллинз, Арчи Ф. (1908). Проектирование и изготовление индукционных катушек . Нью-Йорк: Манн и Ко. с. 98 .
- Флеминг, Джон Амброуз (1896). Трансформатор переменного тока в теории и практике, Том 2 . Издательство Electrician Publishing Co. имеет подробную историю изобретения индукционной катушки.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Схема драйвера с батарейным питанием для индукционных катушек
- Сайт электронно-лучевой трубки
- Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 14 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 502–505.
- Ньюман, Ф.Х. (1921). «Новая форма прерывателя Венельта» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 99 (699): 324–30. Бибкод : 1921RSPSA..99..324N . дои : 10.1098/rspa.1921.0045 . JSTOR 93959 .
- Техническая информация о реле См. раздел «Защита контактов – ПротивоЭДС».
- Зажигание с емкостным разрядом и зажигание с магнитным разрядом: варианты системы зажигания для TR4A. Фактический разряд см. на рисунке 9.