stringtranslate.com

Индукционная катушка

Индукционная катушка, показывающая конструкцию, 1920 год.

Индукционная катушка или «искровая катушка» ( архаично известная как индукториум или катушка Румкорфа [1] в честь Генриха Рюмкорфа ) — это тип электрического трансформатора [2] [3] [4], используемый для получения высоковольтных импульсов из источника постоянного тока низкого напряжения (DC). [1] [5] Для создания изменений потока , необходимых для индуцирования напряжения во вторичной катушке, постоянный ток в первичной катушке многократно прерывается вибрирующим механическим контактом , называемым прерывателем . [1] Изобретенная в 1836 году ирландско-католическим священником Николасом Калланом , а также независимо американским изобретателем Чарльзом Графтоном Пейджем , [1] индукционная катушка была первым типом трансформатора. Она широко использовалась в рентгеновских аппаратах , [1] [6] радиопередатчиках с искровым разрядником , [1] [6] дуговом освещении и шарлатанских медицинских электротерапевтических устройствах с 1880-х по 1920-е годы. Сегодня его единственным распространенным применением является использование в качестве катушек зажигания в двигателях внутреннего сгорания и в преподавании физики для демонстрации индукции .

Конструкция и функционирование

Принципиальная схема

Индукционная катушка состоит из двух катушек изолированного провода, намотанного вокруг общего железного сердечника (M) . [1] [7] Одна катушка, называемая первичной обмоткой (P) , состоит из относительно небольшого количества (десятков или сотен) витков грубой проволоки. [7] Другая катушка, вторичная обмотка (S), обычно состоит из миллиона витков тонкой проволоки (до 40 калибра). [8] [1] [7]

Электрический ток проходит через первичную обмотку, создавая магнитное поле . [1] [7] Из-за общего сердечника большая часть магнитного поля первичной обмотки соединяется с вторичной обмоткой. [ требуется ссылка ] Первичная обмотка ведет себя как индуктор , запасая энергию в связанном магнитном поле. Когда первичный ток внезапно прерывается, магнитное поле быстро разрушается. Это вызывает возникновение импульса высокого напряжения на вторичных клеммах посредством электромагнитной индукции . Из-за большого количества витков во вторичной катушке импульс вторичного напряжения обычно составляет многие тысячи вольт . Этого напряжения часто достаточно, чтобы вызвать электрическую искру , чтобы перескочить 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 размером '4 дюйма' (10 см) могла произвести искру длиной 4 дюйма. До изобретения электронно -лучевого осциллографа это было наиболее надежным измерением пикового напряжения таких асимметричных форм волн. Зависимость между длиной искры и напряжением является линейной 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, представленные в источнике 1984 года, хорошо согласуются с этими значениями. [10]

Прерыватель

Формы волн в индукционной катушке с открытым выходом (без искры). i 1 ( синий  ) — ток в первичной обмотке катушки, v 2 ( красный  ) — напряжение на вторичной обмотке. Не в общепринятом масштабе; v 2 намного больше на нижнем рисунке. [ сомнительно – обсудить ]

Для непрерывной работы катушки необходимо многократно подключать и отключать постоянный ток питания, чтобы создать необходимые для индукции изменения магнитного поля. [1] Для этого индукционные катушки используют магнитно-активируемый вибрирующий рычаг, называемый прерывателем или размыкателем ( A ), для быстрого подключения и отключения тока, текущего в первичной катушке. [1] Прерыватель устанавливается на конце катушки рядом с железным сердечником. Когда питание включено, 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 переместится достаточно далеко, пара контактов ( K ) в первичной цепи размыкается и отключает первичный ток. Отключение тока приводит к разрушению магнитного поля и созданию искры. Кроме того, разрушенное поле больше не притягивает якорь, поэтому сила пружины ускоряет якорь к его исходному положению. Через некоторое время контакты снова соединяются, и ток снова начинает создавать магнитное поле. Весь процесс начинается снова и повторяется много раз в секунду. Вторичное напряжение v 2 ( красное , слева) примерно пропорционально скорости изменения первичного тока i 1 ( синее ).

Противоположные потенциалы индуцируются во вторичной обмотке, когда прерыватель «разрывает» цепь и «замыкает» ее. Однако изменение тока в первичной обмотке происходит гораздо более резко, когда прерыватель «разрывает». Когда контакты замыкаются, ток в первичной обмотке нарастает медленно, поскольку напряжение питания имеет ограниченную способность проталкивать ток через индуктивность катушки. Напротив, когда контакты прерывателя размыкаются, ток внезапно падает до нуля. Таким образом, импульс напряжения, индуцируемый во вторичной обмотке при «разрыве», намного больше импульса, индуцируемого при «замыкании», именно «разрыв» генерирует высокое выходное напряжение катушки.

Конденсатор

На контактах прерывателя при разрыве образуется дуга, которая имеет нежелательные эффекты: дуга потребляет энергию, запасенную в магнитном поле, снижает выходное напряжение и повреждает контакты. [11] Чтобы предотвратить это, гасящий конденсатор (C) емкостью от 0,5 до 15 мкФ подключается параллельно первичной катушке, чтобы замедлить рост напряжения после разрыва. Конденсатор и первичная обмотка вместе образуют настроенный контур , поэтому при разрыве затухающая синусоидальная волна тока течет в первичной обмотке и также индуцирует затухающую волну во вторичной. В результате выход высокого напряжения состоит из серии затухающих волн (слева) . [ необходима цитата ]

Подробности конструкции

Чтобы предотвратить пробой тонкой изоляции и возникновение дуги между вторичными проводами под действием высокого напряжения в катушке, вторичная катушка использует специальную конструкцию, чтобы избежать расположения проводов с большой разницей напряжений рядом друг с другом. В одной широко используемой технике вторичная катушка наматывается на множество тонких плоских секций в форме блина (называемых «пирожками»), соединенных последовательно . [ 12] [1]

Первичная катушка сначала наматывается на железный сердечник и изолируется от вторичной толстой бумажной или резиновой оболочкой. [1] Затем каждая вторичная подкатушка соединяется с катушкой рядом с ней и надевается на железный сердечник, изолированный от соседних катушек вощеными картонными дисками. Напряжение, развиваемое в каждой подкатушке, недостаточно велико, чтобы перескочить между проводами в подкатушке. [1] Большие напряжения развиваются только на многих подкатушках последовательно, которые слишком далеко друг от друга, чтобы образовалась дуга. Чтобы придать всей катушке окончательное изолирующее покрытие, ее погружают в расплавленный парафиновый воск или канифоль ; воздух откачивают, чтобы убедиться, что внутри не осталось пузырьков воздуха, а парафину дают затвердеть, поэтому вся катушка заключена в воск.

Для предотвращения вихревых токов , которые вызывают потери энергии, железный сердечник сделан из пучка параллельных железных проводов, индивидуально покрытых шеллаком для их электрической изоляции. [1] Вихревые токи, которые текут в сердечнике в петлях перпендикулярно магнитной оси, блокируются слоями изоляции. Концы изолированной первичной катушки часто выступали на несколько дюймов от любого конца вторичной катушки, чтобы предотвратить дуги от вторичной к первичной или сердечнику.

Ртутные и электролитические прерыватели

(слева) 3-электродный прерыватель Венельта, используемый в мощных катушках. (справа) Ртутный турбинный прерыватель. Двигатель вращает зубчатое колесо, в то время как струя ртути распыляется на зубья. Регулируя колесо вверх и вниз, можно изменять рабочий цикл первичного тока.

Хотя 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 радиопередатчиках с искровым зазором 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 «разрыв» производит импульс напряжения от катушки, чем больше разрывов в секунду, тем больше выходная мощность. Молотковые прерыватели не были способны на частоту прерываний более 200 разрывов в секунду, а те, которые использовались на мощных катушках, были ограничены 20–40 разрывами в секунду.

Поэтому было проведено много исследований по улучшению прерывателей, и улучшенные конструкции использовались в мощных катушках, а молотковые прерыватели применялись только на небольших катушках с искрами 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. Они часто приводились в действие отдельным электромагнитом или двигателем, [1] что позволяло регулировать частоту прерывания и время «выдержки» отдельно от первичного тока.

Самые большие катушки использовали либо электролитические, либо ртутные турбинные прерыватели. [1] Электролитический или прерыватель Венельта, изобретенный Артуром Венельтом в 1899 году, состоял из короткого платинового игольчатого анода, погруженного в электролит из разбавленной серной кислоты , с другой стороной цепи, подключенной к свинцовому пластинчатому катоду . [1] [14] Когда первичный ток проходил через него, на игле образовывались пузырьки водорода, которые неоднократно разрывали цепь. Это приводило к случайному разрыву первичного тока со скоростью до 2000 разрывов в секунду. Их предпочитали для питания рентгеновских трубок. Они производили 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 скорости прерывания до 10 000 разрывов в секунду и были наиболее широко используемым типом прерывателя в коммерческих беспроводных станциях. [1] [14]

История

Первая индукционная катушка, построенная Николасом Калланом, 1836 год.

Индукционная катушка была первым типом электрического трансформатора . В ходе ее разработки между 1836 и 1860 годами, в основном путем проб и ошибок, исследователи открыли многие принципы, управляющие всеми трансформаторами, такие как пропорциональность между витками и выходным напряжением и использование «разделенного» железного сердечника для снижения потерь на вихревые токи .

Майкл Фарадей открыл принцип индукции, закон индукции Фарадея , в 1831 году и провел первые эксперименты с индукцией между катушками провода. [15] Индукционная катушка была изобретена американским врачом Чарльзом Графтоном Пейджем в 1836 году [16] [17] и независимо от него ирландским ученым и католическим священником Николасом Калланом в том же году в колледже Святого Патрика в Мейнуте [1] [18] [19] [20] [21] и усовершенствована Уильямом Стердженом . [1] Джордж Генри Баххоффнер [1] и Стерджен (1837) независимо друг от друга обнаружили, что «разделенный» железный сердечник из железных проводов снижает потери мощности. [22] Ранние катушки имели прерыватели с ручным приводом, изобретенные Калланом и Антуаном Филибером Массоном (1837). [23] [24] [25] Автоматический «молотковый» прерыватель был изобретен преподобным профессором Джеймсом Уильямом Макголи (1838) из Дублина, Ирландия, [16] [26] Иоганном Филиппом Вагнером (1839) и Кристианом Эрнстом Неффом (1847). [1] [27] [28] Ипполит Физо (1853) ввел использование гасящего конденсатора. [1] [29] [30] Генрих Румкорф генерировал более высокие напряжения, значительно увеличив длину вторичной обмотки, [1] в некоторых катушках, используя 5 или 6 миль (10 км) провода и производя искры до 16 дюймов. В начале 1850-х годов американский изобретатель Эдвард Сэмюэл Ричи 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 ранних газоразрядных и трубок Крукса и других исследований высокого напряжения. Они также использовались для развлечения ( например, для освещения трубок Гейсслера ) и для управления небольшими «шоковыми катушками», катушками Теслы и устройствами фиолетового луча, используемыми в шарлатанской медицине . Они использовались Герцем для демонстрации существования электромагнитных волн, как предсказывали Джеймс Клерк Максвелл и Лодж и Маркони в первых исследованиях радиоволн. Их наибольшее промышленное использование, вероятно, было в ранних радиопередатчиках с искровым разрядником для беспроводной телеграфии и для питания ранних рентгеновских трубок с холодным катодом с 1890-х по 1920-е годы, после чего они были вытеснены в обоих этих приложениях трансформаторами переменного тока и вакуумными трубками . Однако их наибольшее применение было 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. Уменьшенная версия используется для запуска импульсных ламп, используемых в камерах и стробоскопах .

Смотрите также

Сноски

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab Флеминг, Джон Эмброуз (1911). «Индукционная катушка»  . В Чисхолм, Хью (ред.). Encyclopaedia Britannica . Т. 14 (11-е изд.). Cambridge University Press. С. 502–505.
  2. ^ "Annus Mirabilis". The New Scientist . 5 (19). Лондон: Reed Business Information: 445. Февраль 1959. Получено 20 ноября 2018 .[ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Стрикленд, Джеффри (2011). Странные ученые: создатели квантовой физики. Lulu. стр. 98. ISBN 978-1-257-97624-9.
  4. ^ Уэйгуд, Адриан (2016). Электротехника для техников. Routledge. стр. 162. ISBN 978-1-317-53491-4.
  5. ^ Коллинз, Арчи Ф. (1908). Проектирование и строительство индукционных катушек. Нью-Йорк: Munn & Co., стр. 98.стр.98
  6. ^ ab Коллинз, 1908, стр. iii
  7. ^ abcd Коллинз, 1908, стр. 16-19
  8. ↑ Cyclopedia of Applied Electricity , Американская школа заочного обучения, Чикаго (1908), Электричество и магнетизм, 74. Индукционные катушки.
  9. ^ Шалль, К. (1914). Электромедицинские приборы и их управление . Schall & Son London.
  10. ^ E. Kuffel; WS Zaengl (1984). Высоковольтная техника . Pergamon Press. стр. 374. ISBN 0-08-024212-X.
  11. ^ Шалль, К. (1905). Электромедицинские приборы и их управление. Bemrose & Sons Ltd. Printers. С. 78.
  12. ^ Шнайдер, Норман Х. (1896). Индукционные катушки Румкорфа, их конструкция, работа и применение. Spon & Chamberlain. стр. 10-14, 16.
  13. ^ Коллинз, 1908, стр. 98
  14. ^ Мур, Артур (1911). Как сделать беспроводной набор. Чикаго: The Popular Mechanics Co. ISBN 978-1-4400-4874-6. Электролитический прерыватель состоит из сосуда, содержащего раствор разбавленной серной кислоты, с двумя клеммами, погруженными в этот раствор. Положительная клемма или анод сделана из платины и должна иметь поверхность около 3/16 дюйма.[sic] Отрицательная клемма или катод сделана из свинца и должна иметь площадь около 1 кв. фута. Когда этот прерыватель соединен последовательно с первичной обмоткой индукционной катушки и источником электродвижущей силы около 40 вольт, цепь будет прервана из-за образования и схлопывания пузырьков на платиновом электроде.На странице 31 описан электролитический прерыватель, но не указано, что это прерыватель Венельта.
  15. ^ Фарадей, Майкл (1834). «Экспериментальные исследования электричества. Седьмая серия». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 124 : 77–122. Bibcode :1834RSPT..124...77F. doi :10.1098/rstl.1834.0008. S2CID  116224057.
  16. ^ ab Page, Charles Grafton (1867). История индукции: американское заявление о катушке индукции и ее электростатических разработках. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Intelligencer. С. 26–27, 57.
  17. ^ Czarnik, Stanley A. (март 1993 г.). "The Classic Induction Coil" (PDF) . Popular Electronics . 9 (3): 35–40. ISSN  1042-170X . Получено 3 сентября 2015 г. ., архивировано Архивировано 2016-10-30 в Wayback Machine
  18. ↑ Каллан, Нью-Джерси (декабрь 1836 г.). «О новой гальванической батарее». Philosophical Magazine . 9 (3): 472–478. doi :10.1080/14786443608649044 . Получено 14 февраля 2013 г.
  19. ^ Каллан, NJ Описание электромагнитного повторителя в Sturgeon, Ed., William (1837). Анналы электричества, магнетизма и химии, т. 1. Лондон: Sherwood, Gilbert, and Piper. стр. 229–230.и стр.522 рис. 52
  20. ^ Флеминг, Джон Эмброуз (1896). Трансформатор переменного тока в теории и практике, т. 2. Лондон: The Electrician Publishing Co., стр. 16–18.
  21. ^ МакКейт, Ниалл. «Преподобный профессор Николас Каллан». Национальный научный музей . Колледж Святого Патрика, Мейнут. Архивировано из оригинала 25 февраля 2013 г. Получено 14 февраля 2013 г.
  22. ^ Флеминг (1896) Трансформатор переменного тока в теории и практике, т. 2, стр. 10-11
  23. ^ Массон, Антуан Филибер (1837). «Rapport sur plusieurs mémoires, relatifs à un mode particulier d'action des Courants électriques (Отчет о нескольких мемуарах, касающихся особого способа действия электрического тока)». Комптес Рендус . 4 : 456–460 . Проверено 14 февраля 2013 г.На странице 458 описан прерыватель, состоящий из зубчатого колеса.
  24. ^ Массон, А. (1837). «De l'induction d'un courant sur lui-même (О индукции тока в себе)». Annales de Chimie et de Physique . 66 :5–36 . Проверено 14 февраля 2013 г.
  25. ^ Массон, Антуан Филибер; Луи Бреге (1841 г.). «Мемуар о индукции». Annales de Chimie et de Physique . 4 (3): 129–152 . Проверено 14 февраля 2013 г.На странице 134 Массон описывает зубчатые колеса, которые выполняли функцию прерывателя.
  26. ^ Макголи, Дж. У. (1838). «Электромагнитный аппарат для производства электричества высокой интенсивности». Труды Британской ассоциации содействия развитию науки . 7 : 25.представлено на встрече в сентябре 1837 года в Ливерпуле, Англия
  27. ^ Нефф, Кристиан Эрнст (1839). «Ueber einen neuen Magnetelektromotor (О новом электромагнитном двигателе)». Аннален дер Физик и Химия . 46 : 104–127 . Проверено 14 февраля 2013 г.
  28. ^ Нефф, К. (1835). «Das Blitzrad, ein Apparat zu rasch abwechselnden galvanischen Schliessungen und Trennungen (Искровое колесо, устройство для быстрого попеременного замыкания и размыкания гальванических цепей)». Аннален дер Физик и Химия . 36 : 352–366 . Проверено 14 февраля 2013 г. Описание более раннего зубчатого прерывателя Ниффа и Вагнера
  29. ^ Физо, Х. (1853). «Note sur les cars électriques inductives et sur un moyen facile d'accroître leurs effets» [Заметка об электрических индукционных машинах и о простом способе усиления их эффектов]. Comptes Rendus (на французском языке). 36 : 418–421 . Проверено 14 февраля 2013 г.
  30. ^ Севернс, Руди. "История мягкого переключения, часть 2" (PDF) . Центр ресурсов проектирования . Журнал Switching Power. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-16 . Получено 2008-05-16 .
  31. ↑ Американская академия искусств и наук, Труды Американской академии искусств и наук , том XXIII, май 1895 г. - май 1896 г., Бостон: University Press, John Wilson and Son (1896), стр. 359-360
  32. ^ Пейдж, Чарльз Г., История индукции: Американские претензии на индукционную катушку и ее электростатические разработки , Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Intelligencer (1867), стр. 104-106
  33. ^ Флеминг, JA (1891). «Историческое развитие индукционной катушки и трансформатора». The Electrician . 26–27: V26:––417, V27: 211–213, 246–248, 300–302, 359–361, 433–435.на странице 360.
  34. ^ "Индукционная катушка Хёрдера". Журнал Института Франклина . 63 (3): 179–81. 1857. doi :10.1016/0016-0032(57)90712-3.
  35. ^ "Улучшенная индукционная катушка". Philosophical Magazine . Серия 4. 13 (88): 471. 1857. doi :10.1080/14786445708642330.
  36. ^ "Улучшенная индукционная катушка". Philosophical Magazine . Серия 4. 14 (93): 319–20. 1857. doi :10.1080/14786445708642396.
  37. ^ Hearder, Ian G. (сентябрь 2004 г.). «Hearder, Jonathan Nash (1809–1876)». Oxford Dictionary of National Biography . Oxford University Press . Получено 7 апреля 2010 г. .
  38. ^ "Вехи: пионерский вклад Каллана в электротехническую науку и технологию, 1836". IEEE Global History Network . IEEE . Получено 26 июля 2011 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки