Ток, проходящий через любой проводник, создает вокруг проводника круговое магнитное поле согласно закону Ампера . [3] Преимущество использования формы катушки заключается в том, что она увеличивает силу магнитного поля, создаваемого данным током. Магнитные поля, создаваемые отдельными витками провода, проходят через центр катушки и суммируются ( суперпонируются ), создавая там сильное поле. [3] Чем больше витков провода, тем сильнее создаваемое поле. И наоборот, изменяющийся внешний магнитный поток индуцирует напряжение в проводнике, например проводе, в соответствии с законом индукции Фарадея . [3] [4] Наведенное напряжение можно увеличить, намотав провод в катушку, поскольку силовые линии пересекают цепь несколько раз. [3]
Направление магнитного поля, создаваемого катушкой, можно определить по правилу правой руки . Если пальцы правой руки обхватить магнитный сердечник катушки в направлении условного тока , проходящего через провод, большой палец будет указывать в направлении, в котором линии магнитного поля проходят через катушку. Конец магнитного сердечника, из которого выходят силовые линии, определяется как северный полюс.
В электрическом и электронном оборудовании используется множество различных типов катушек.
В катушке из нескольких витков провода магнитное поле витков складывается в центре катушки, создавая сильное поле. На этом рисунке показано поперечное сечение центра катушки. Крестики — это провода, по которым ток поступает на страницу; точки — это провода, по которым со страницы выходит ток.
Обмотки и отводы
Схема типовых конфигураций трансформатора
Провод или проводник, образующий катушку, называется обмоткой . [5] Отверстие в центре катушки называется областью сердечника или магнитной осью . [6] Каждая петля провода называется витком . [2] В обмотках, витки которых соприкасаются, провод должен быть изолирован покрытием из непроводящей изоляции , например пластиком или эмалью, чтобы предотвратить прохождение тока между витками провода. Обмотку часто оборачивают вокруг катушки из пластика или другого материала, чтобы удерживать ее на месте. [2] Концы провода выведены наружу и подключены к внешней цепи. Обмотки могут иметь дополнительные электрические соединения по длине; это называются краны . [7] Обмотка, имеющая один отвод в центре своей длины, называется обмоткой с центральным отводом . [8]
Катушки могут иметь более одной обмотки, электрически изолированной друг от друга. Когда вокруг общей магнитной оси расположены две или более обмоток, говорят, что обмотки связаны индуктивно или магнитно . [9] Изменяющийся во времени ток через одну обмотку создаст изменяющееся во времени магнитное поле, которое проходит через другую обмотку, что будет индуцировать изменяющееся во времени напряжение в других обмотках. Это называется трансформатор . [10] Обмотка, к которой подается ток, создающий магнитное поле, называется первичной обмоткой . Остальные обмотки называются вторичными .
Магнитный сердечник
Многие электромагнитные катушки имеют магнитный сердечник — кусок ферромагнитного материала, например железа , в центре для увеличения магнитного поля. [11] Ток через катушку намагничивает железо, а поле намагниченного материала добавляется к полю, создаваемому проводом. Это называется катушкой с ферромагнитным сердечником или катушкой с железным сердечником . [12] Ферромагнитный сердечник может увеличить магнитное поле и индуктивность катушки в сотни или тысячи раз по сравнению с тем, что было бы без сердечника. Катушка с ферритовым сердечником — это разновидность катушки с сердечником из феррита , ферримагнитного керамического соединения. [13] Ферритовые катушки имеют меньшие потери в сердечнике на высоких частотах.
Катушка с сердечником, образующим замкнутый контур, возможно, с некоторыми узкими воздушными зазорами, называется катушкой с закрытым сердечником . Обеспечивая замкнутый путь для линий магнитного поля, эта геометрия минимизирует магнитное сопротивление и создает самое сильное магнитное поле. Часто используется в трансформаторах.
Распространенной формой катушек с закрытым сердечником является катушка с тороидальным сердечником, в которой сердечник имеет форму тора или пончика с круглым или прямоугольным поперечным сечением. Такая геометрия имеет минимальный поток утечки и излучает минимальные электромагнитные помехи (EMI).
Катушка с сердечником, представляющим собой прямой стержень или другую форму без петли, называется катушкой с открытым сердечником . Он имеет более низкое магнитное поле и индуктивность, чем закрытый сердечник, но часто используется для предотвращения магнитного насыщения сердечника.
Катушка без ферромагнитного сердечника называется катушкой с воздушным сердечником . [14] Сюда входят катушки, намотанные на пластиковые или другие немагнитные формы, а также катушки, внутри обмотки которых фактически имеется пустое воздушное пространство.
Типы катушек
Катушки можно классифицировать по частоте тока, для работы с которым они предназначены:
Катушки постоянного тока или постоянного тока или электромагниты работают с постоянным постоянным током в своих обмотках.
Катушки, катушки индуктивности или трансформаторы звуковой частоты или AF работают с переменным током в диапазоне звуковых частот менее 20 кГц.
Радиочастотные или ВЧ катушки, индукторы или трансформаторы работают с переменным током в радиочастотном диапазоне выше 20 кГц.
Электромагниты — это катушки, которые генерируют магнитное поле для какого-либо внешнего использования, часто для приложения к чему-либо механической силы. [15] или удалите существующие фоновые поля. [16] Несколько конкретных типов:
Соленоид – электромагнит в виде прямой полой спирали проволоки.
Обмотки двигателя и генератора - электромагниты с железным сердечником на роторе или статоре электродвигателей и генераторов, которые действуют друг на друга, либо вращая вал (двигатель), либо генерируя электрический ток (генератор).
Обмотка возбуждения — катушка с железным сердечником, которая генерирует постоянное магнитное поле, воздействующее на обмотку якоря.
Обмотка якоря - катушка со железным сердечником, на которую действует магнитное поле обмотки возбуждения, чтобы либо создать крутящий момент (двигатель), либо индуцировать напряжение для производства энергии (генератор).
Звуковая катушка — катушка, используемая в громкоговорителе с подвижной катушкой , подвешенная между полюсами магнита. Когда аудиосигнал проходит через катушку, она вибрирует, перемещая прикрепленный диффузор динамика, создавая звуковые волны. Обратное используется в динамическом микрофоне , где звуковые колебания, перехватываемые чем-то вроде диафрагмы , физически передаются на звуковую катушку, погруженную в магнитное поле, а концы катушки затем создают электрический аналог этих вибраций.
Индукторы
Индукторы или реакторы представляют собой катушки, которые генерируют магнитное поле, которое взаимодействует с самой катушкой, вызывая обратную ЭДС, которая противодействует изменениям тока через катушку. Индукторы используются в качестве элементов в электрических цепях для временного хранения энергии или сопротивления изменениям тока. Несколько типов:
Танковая катушка - катушка индуктивности, используемая в настроенной цепи.
Дроссель — дроссель, используемый для блокировки высокочастотного переменного тока и пропускания низкочастотного переменного или постоянного тока.
Нагрузочная катушка — индуктор, используемый для добавления индуктивности антенне, чтобы сделать ее резонансной, или кабелю для предотвращения искажения сигналов.
Вариометр - регулируемый индуктор, состоящий из двух последовательно соединенных катушек: внешней неподвижной катушки и второй внутри нее, которая может вращаться так, чтобы их магнитные оси были направлены в одном или противоположном направлении.
Обратноходовой трансформатор . Хотя он и называется трансформатором, на самом деле это индуктор, который служит для накопления энергии в импульсных источниках питания и схемах горизонтального отклонения для ЭЛТ- телевизоров и мониторов.
Насыщающийся реактор — дроссель с железным сердечником, используемый для управления мощностью переменного тока путем изменения насыщения сердечника с помощью управляющего напряжения постоянного тока во вспомогательной обмотке.
Трансформатор — это устройство с двумя и более магнитно связанными обмотками (или секциями одной обмотки). Изменяющийся во времени ток в одной катушке (называемой первичной обмоткой ) генерирует магнитное поле, которое индуцирует напряжение в другой катушке (называемой вторичной обмоткой ). Несколько типов:
Автотрансформатор – трансформатор только с одной обмоткой. Различные части обмотки, доступные с помощью отводов, действуют как первичная и вторичная обмотки трансформатора.
Тороидальный трансформатор – сердечник имеет форму тороида . Это широко используемая форма, поскольку она уменьшает поток рассеяния, что приводит к уменьшению электромагнитных помех.
Индукционная катушка или катушка тремблера - ранний трансформатор, который использует вибрационный прерыватель для прерывания первичного тока, чтобы он мог работать от постоянного тока.
Бифилярная катушка – катушка, намотанная на две параллельные, близко расположенные нити. Если через обмотки пропускаются переменные токи в одном направлении, магнитные потоки складываются, но если через обмотки проходят равные токи в противоположных направлениях, противоположные потоки компенсируются, что приводит к нулевому потоку в сердечнике. Таким образом, в третьей обмотке сердечника не будет индуцироваться напряжение. Они используются в приборах и устройствах, таких как прерыватели замыкания на землю . Они также используются в проволочных резисторах с низкой индуктивностью для использования на радиочастотах.
Электрические машины , такие как двигатели и генераторы, имеют одну или несколько обмоток, которые взаимодействуют с движущимися магнитными полями для преобразования электрической энергии в механическую. Часто машина имеет одну обмотку, через которую проходит большая часть мощности машины ( «якорь» ), и вторую обмотку, создающую магнитное поле вращающегося элемента («обмотка возбуждения»), которая может быть соединена щетками. или контактные кольца к внешнему источнику электрического тока. В асинхронном двигателе «полевая» обмотка ротора возбуждается за счет медленного относительного движения между вращающейся обмоткой и вращающимся магнитным полем, создаваемым обмоткой статора, которое индуцирует необходимый ток возбуждения в роторе.
Это катушки, используемые для преобразования изменяющихся во времени магнитных полей в электрические сигналы и наоборот. Несколько типов:
Датчики или приемные катушки - они используются для обнаружения внешних изменяющихся во времени магнитных полей.
Индуктивный датчик — катушка, которая определяет, когда рядом с ней проходит магнит или железный предмет.
Записывающая головка — катушка, которая используется для создания магнитного поля для записи данных на магнитный носитель информации, например магнитную ленту или жесткий диск . И наоборот, он также используется для считывания данных в виде изменяющихся магнитных полей в среде.
^ Стауффер, Х. Брук (2002). Карманный словарь электрических терминов NFPA. Джонс и Хаймел Такер. п. 36. ISBN 978-0877655992.
^ abc Лапланте, Филипп А. (1999). Большой словарь по электротехнике. Спрингер. стр. 114–115. ISBN978-3540648352.
^ abcd Арун, П. (2006). Электроника. Alpha Sciences International Ltd., стр. 73–77. ISBN978-1842652176.
^ Амос, Юго-Запад; Амос, Роджер (4 марта 2002 г.). Ньюнес 2002, с. 129. Эльзевир. ISBN9780080524054.
^ Стауффер, HB (2005). Карманный словарь электрических терминов NFPA. Джонс и Бартлетт Лиринг, ООО. п. 273. ИСБН9780877655992. Проверено 7 января 2017 г.
^ Амос, Юго-Запад; Роджер Амос (2002). Словарь Ньюнеса по электронике. Ньюнес. п. 191. ИСБН978-0080524054.
^ Лапланте, Пенсильвания (1999). Большой словарь по электротехнике. Шпрингер Берлин Гейдельберг. п. 633. ИСБН9783540648352. Проверено 7 января 2017 г.
^ Стауффер, HB (2005). Карманный словарь электрических терминов NFPA. Джонс и Бартлетт Лиринг, ООО. п. 29. ISBN9780877655992. Проверено 7 января 2017 г.
^ Амос, Юго-Запад; Амос, Р. (2002). Словарь Ньюнеса по электронике. Эльзевир Наука. п. 167. ИСБН9780080524054. Проверено 7 января 2017 г.
^ Амос, Юго-Запад; Амос, Р. (2002). Словарь Ньюнеса по электронике. Эльзевир Наука. п. 326. ИСБН9780080524054. Проверено 7 января 2017 г.
^ Лапланте, Филипп А. (1998). Большой словарь по электротехнике. Спрингер. п. 143. ИСБН978-3540648352.
^ Лапланте, Пенсильвания (1999). Большой словарь по электротехнике. Шпрингер Берлин Гейдельберг. п. 346. ИСБН9783540648352. Проверено 7 января 2017 г.
^ Лапланте, Пенсильвания (1999). Большой словарь по электротехнике. Шпрингер Берлин Гейдельберг. п. 243. ИСБН9783540648352. Проверено 7 января 2017 г.
^ Лапланте, Пенсильвания (1999). Большой словарь по электротехнике. Шпрингер Берлин Гейдельберг. п. 19. ISBN9783540648352. Проверено 7 января 2017 г.
^ Амос, Юго-Запад; Амос, Р. (2002). Словарь Ньюнеса по электронике. Эльзевир Наука. п. 113. ИСБН9780080524054. Проверено 7 января 2017 г.
^ Хобсон, П.Дж.; и другие. (2022). «Индивидуальная конструкция магнитного поля для магнитоэкранированного интерферометра холодных атомов». наук. Представитель . 12 (1): 10520. arXiv : 2110.04498 . Бибкод : 2022NatSR..1210520H. дои : 10.1038/s41598-022-13979-4. ПМЦ 9217970 . PMID 35732872. S2CID 238583775.
дальнейшее чтение
Кверфурт, Уильям, « Намотка катушек; описание процедур намотки катушек, намоточных машин и сопутствующего оборудования для электронной промышленности » (2-е изд.). Чикаго, компания G. Stevens Mfg. Co., 1958 г.
Уэймут, Ф. Мартен, « Барабанные якоря и коммутаторы (теория и практика): полный трактат по теории и конструкции барабанной обмотки, а также коммутаторов для якорей с замкнутой катушкой, вместе с полным резюме некоторых основных моментов. в их конструкции, а также описание реакций якоря и искрения ». Лондон, Типография и издательство «Электрик», 1893 г.
