Электромагнитная катушка

Электромагнитная катушка — это электрический проводник, такой как провод в форме катушки ( спирали или спирали ). ^[1]^[2] Электромагнитные катушки используются в электротехнике , в приложениях, где электрические токи взаимодействуют с магнитными полями , в таких устройствах, как электродвигатели , генераторы , индукторы , электромагниты , трансформаторы , сенсорные катушки, такие как в медицинских аппаратах МРТ . Либо электрический ток пропускается через провод катушки для создания магнитного поля, либо, наоборот, внешнее изменяющееся во времени магнитное поле через внутреннюю часть катушки создает ЭДС ( напряжение ) в проводнике.

Ток через любой проводник создает круговое магнитное поле вокруг проводника из-за закона Ампера . ^[3] Преимущество использования формы катушки заключается в том, что она увеличивает силу магнитного поля, создаваемого данным током. Магнитные поля, создаваемые отдельными витками провода, все проходят через центр катушки и складываются ( накладываются ), создавая там сильное поле. ^[3] Чем больше число витков провода, тем сильнее создаваемое поле. И наоборот, изменяющийся внешний магнитный поток индуцирует напряжение в проводнике, таком как провод, из-за закона индукции Фарадея . ^[3]^[4] Индуцированное напряжение можно увеличить, намотав провод в катушку, поскольку линии поля пересекают контур несколько раз. ^[3]

Направление магнитного поля, создаваемого катушкой, можно определить с помощью правила правой руки . Если пальцы правой руки обернуть вокруг магнитного сердечника катушки в направлении обычного тока через провод, большой палец будет указывать в направлении, в котором линии магнитного поля проходят через катушку. Конец магнитного сердечника, из которого выходят линии поля, определяется как Северный полюс.

В электрическом и электронном оборудовании используется множество различных типов катушек.

Обмотки и отводы

Схема типовых конфигураций трансформаторов

Провод или проводник, из которого состоит катушка, называется обмоткой . [ ^5] Отверстие в центре катушки называется областью сердечника или магнитной осью . ^[6] Каждый виток провода называется витком . [ ^2] В обмотках, в которых витки соприкасаются, провод должен быть изолирован покрытием из непроводящей изоляции, такой как пластик или эмаль, чтобы предотвратить прохождение тока между витками провода. Обмотка часто оборачивается вокруг формы катушки, сделанной из пластика или другого материала, чтобы удерживать ее на месте. ^[2] Концы провода выводятся наружу и присоединяются к внешней цепи. Обмотки могут иметь дополнительные электрические соединения по своей длине; они называются отводами . ^[7] Обмотка, которая имеет один отвод в центре своей длины, называется с центральным отводом . ^[8]

Катушки могут иметь более одной обмотки, электрически изолированной друг от друга. Когда вокруг общей магнитной оси имеется две или более обмоток, обмотки называются индуктивно связанными или магнитно связанными . ^[9] Изменяющийся во времени ток через одну обмотку создаст изменяющееся во времени магнитное поле, которое пройдет через другую обмотку, что вызовет изменяющееся во времени напряжение в других обмотках. Это называется трансформатором . [ ^10] Обмотка, к которой приложен ток, создающий магнитное поле, называется первичной обмоткой . Другие обмотки называются вторичными обмотками .

Магнитный сердечник

Многие электромагнитные катушки имеют магнитный сердечник , кусок ферромагнитного материала, такого как железо, в центре для увеличения магнитного поля. ^[11] Ток через катушку намагничивает железо, и поле намагниченного материала добавляется к полю, создаваемому проводом. Это называется катушкой с ферромагнитным сердечником или 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 представляет собой разновидность катушки с сердечником, изготовленным из феррита , ферримагнитного керамического соединения. ^[13] Ферритовые катушки имеют более низкие 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. Она часто используется в трансформаторах.
- Распространенной формой катушек с закрытым сердечником является тороидальная катушка с сердечником, в которой сердечник имеет форму тора или бублика с круглым или прямоугольным поперечным сечением. Такая геометрия имеет минимальный поток рассеяния и излучает минимальные электромагнитные помехи (ЭМП).
Катушка с сердечником в виде прямого стержня или другой непетлевой формы называется катушкой с открытым сердечником . Она имеет меньшее 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 пластик или другие немагнитные формы, а также катушки, которые фактически имеют пустое воздушное пространство внутри своих обмоток.

Типы катушек

Катушки можно классифицировать по частоте тока, для работы с которым они предназначены:

Катушки постоянного тока или катушки постоянного тока или электромагниты работают с постоянным постоянным током в своих обмотках.
Звуковые или звуковые катушки, индукторы или трансформаторы работают с переменным током в диапазоне звуковых частот , менее 20 кГц.
Радиочастотные или радиочастотные катушки, индукторы или трансформаторы работают с переменным током в диапазоне радиочастот , выше 20 кГц.

Катушки можно классифицировать по их функции:

Электромагниты

Электромагниты — это катушки, которые генерируют магнитное поле для внешнего использования, часто для приложения механической силы к чему-либо. ^[15] или устранения существующих фоновых полей. ^[16] Несколько конкретных типов:

Соленоид — электромагнит в виде прямой полой спирали из проволоки.
Обмотки двигателя и генератора — электромагниты с железным сердечником на роторе или статоре электродвигателей и генераторов, которые воздействуют друг на друга, либо вращая вал (двигатель), либо генерируя электрический ток (генератор).
- Обмотка возбуждения — катушка с железным сердечником, которая создает постоянное магнитное поле, воздействующее на обмотку якоря.
- Обмотка якоря — катушка с железным сердечником, на которую воздействует магнитное поле обмотки возбуждения, чтобы создать крутящий момент (двигатель) или индуцировать напряжение для выработки электроэнергии (генератор).
Катушка Гельмгольца , катушка Максвелла — катушки с воздушным сердечником, которые служат для нейтрализации внешнего магнитного поля.
Размагничивающая катушка — катушка, используемая для размагничивания деталей.
Звуковая катушка — катушка, используемая в громкоговорителе с подвижной катушкой , подвешенная между полюсами магнита. Когда звуковой сигнал проходит через катушку, она вибрирует, перемещая прикрепленный диффузор динамика для создания звуковых волн. Обратный процесс используется в динамическом микрофоне , где звуковые колебания, перехваченные чем-то вроде диафрагмы, физически передаются звуковой катушке, погруженной в магнитное поле, а концы выводов катушки затем обеспечивают электрический аналог этих колебаний.

Индукторы

Индукторы или реакторы — это катушки, которые генерируют магнитное поле, взаимодействующее с самой катушкой, чтобы вызвать обратную ЭДС, которая противодействует изменениям тока через катушку. Индукторы используются в качестве элементов цепи в электрических цепях для временного хранения энергии или сопротивления изменениям тока. Несколько типов:

Конденсатор - индуктор, используемый в колебательном контуре.
Дроссель — индуктор, используемый для блокирования переменного тока высокой частоты и пропускания переменного или постоянного тока низкой частоты.
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, расположенной внутри нее, которая может вращаться так, чтобы их магнитные оси были направлены в одну сторону или противоположно.
Трансформатор строчной развертки — хотя он и называется трансформатором, на самом деле это индуктор, который служит для хранения энергии в импульсных источниках питания и схемах горизонтального отклонения для телевизоров и мониторов с ЭЛТ.
Насыщающийся реактор — индуктор с железным сердечником, используемый для управления мощностью переменного тока путем изменения насыщения сердечника с помощью управляющего напряжения постоянного тока во вспомогательной обмотке.
Индуктивный балласт — дроссель, используемый в цепях газоразрядных ламп , таких как люминесцентные лампы , для ограничения тока через лампу.

Трансформеры

Трансформатор — это устройство с двумя или более магнитно связанными обмотками (или секциями одной обмотки). Изменяющийся во времени ток в одной катушке (называемой первичной обмоткой ) создает магнитное поле, которое индуцирует напряжение в другой катушке (называемой вторичной обмоткой ). Несколько типов:

Распределительный трансформатор — трансформатор в электросети , который преобразует высокое напряжение от линии электропередачи в более низкое напряжение, используемое потребителями коммунальной услуги.
Автотрансформатор - трансформатор с одной обмоткой. Различные части обмотки, к которым имеются отводы, действуют как первичные и вторичные обмотки трансформатора.
Тороидальный трансформатор - сердечник имеет форму тороида . Это часто используемая форма, поскольку она уменьшает поток рассеяния, что приводит к снижению электромагнитных помех.
Индукционная катушка или катушка дрожания — ранний трансформатор, в котором для прерывания первичного тока используется механизм вибрационного прерывателя, что позволяет ему работать от постоянного тока.
- Катушка зажигания — индукционная катушка, используемая в двигателях внутреннего сгорания для создания импульса высокого напряжения для зажигания свечи зажигания , которая инициирует воспламенение топлива.
Балун — трансформатор, согласующий симметричную линию передачи с несимметричной.
Бифилярная катушка — катушка, намотанная двумя параллельными, близко расположенными жилами. Если через нее пропускать переменные токи в одном направлении, магнитные потоки будут складываться, но если через обмотки будут проходить равные токи в противоположных направлениях, противоположные потоки будут нейтрализованы, что приведет к нулевому потоку в сердечнике. Таким образом, в третьей обмотке на сердечнике не будет индуцироваться напряжение. Они используются в приборах и в таких устройствах, как прерыватели замыкания на землю . Они также используются в проволочных резисторах с низкой индуктивностью для использования на радиочастотах.
Аудиотрансформатор - Трансформатор, используемый с аудиосигналами . Они используются для согласования импеданса .
- Гибридная катушка — специализированный аудиотрансформатор с тремя обмотками, используемый в телефонных цепях для преобразования двухпроводных и четырехпроводных цепей.

Электрические машины

Электрические машины, такие как двигатели и генераторы, имеют одну или несколько обмоток, которые взаимодействуют с движущимися магнитными полями для преобразования электрической энергии в механическую энергию. Часто машина имеет одну обмотку, через которую проходит большая часть мощности машины ( «якорь» ), и вторую обмотку, которая обеспечивает магнитное поле вращающегося элемента («обмотка возбуждения»), который может быть подключен щетками или контактными кольцами к внешнему источнику электрического тока. В асинхронном двигателе обмотка возбуждения ротора возбуждается медленным относительным движением между вращающейся обмоткой и вращающимся магнитным полем, создаваемым обмоткой статора, что индуцирует необходимый ток возбуждения в роторе.

Преобразовательные катушки

Это катушки, которые используются для преобразования изменяющихся во времени магнитных полей в электрические сигналы и наоборот. Несколько типов:

Датчики или приемные катушки — используются для обнаружения внешних изменяющихся во времени магнитных полей.
Индуктивный датчик — катушка, которая распознает прохождение магнита или железного предмета вблизи нее.
Записывающая головка - катушка, которая используется для создания магнитного поля для записи данных на магнитный носитель , такой как магнитная лента или жесткий диск . И наоборот, она также используется для считывания данных в виде изменяющихся магнитных полей в носителе.
Индукционная нагревательная катушка — катушка переменного тока, используемая для нагрева объекта путем создания в нем вихревых токов ; этот процесс называется индукционным нагревом .
Рамочная антенна — катушка, которая служит радиоантенной и преобразует радиоволны в электрический ток.
Катушка Роговского — тороидальная катушка, используемая в качестве измерительного прибора переменного тока.
Звукосниматель музыкального инструмента — катушка, используемая для получения выходного аудиосигнала в электрогитаре или электробас- гитаре .
Флюсовый затвор — сенсорная катушка, используемая в магнитометре.
Магнитный картридж для проигрывателя — датчик в проигрывателе , который использует катушку для преобразования вибрации иглы в звуковой сигнал при воспроизведении виниловых пластинок .

Существуют также типы катушек, которые не попадают в эти категории.

Технология намотки

Смотрите также

кривая Ханны

Ссылки

^ Stauffer, H. Brooke (2002). Карманный словарь электрических терминов NFPA. Джонс и Хаймел Такер. стр. 36. ISBN 978-0877655992.
^ abc Лапланте, Филлип А. (1999). Полный словарь по электротехнике. Springer. С. 114–115. ISBN 978-3540648352.
^ abcd Арун, П. (2006). Электроника. Alpha Sciences International Ltd. стр. 73–77. ISBN 978-1842652176.
^ Амос, SW; Амос, Роджер (4 марта 2002 г.). Newnes 2002, стр. 129. Elsevier. ISBN 9780080524054.
^ Stauffer, HB (2005). Карманный словарь электрических терминов NFPA. Jones & Bartlett Learning, LLC. стр. 273. ISBN 9780877655992. Получено 2017-01-07 .
^ Амос, SW; Роджер Амос (2002). Newnes Dictionary of Electronics. Newnes. стр. 191. ISBN 978-0080524054.
^ Лапланте, П. А. (1999). Полный словарь по электротехнике. Springer Berlin Heidelberg. стр. 633. ISBN 9783540648352. Получено 2017-01-07 .
^ Stauffer, HB (2005). Карманный словарь электрических терминов NFPA. Jones & Bartlett Learning, LLC. стр. 29. ISBN 9780877655992. Получено 2017-01-07 .
^ Амос, SW; Амос, Р. (2002). Newnes Dictionary of Electronics. Elsevier Science. стр. 167. ISBN 9780080524054. Получено 2017-01-07 .
^ Амос, SW; Амос, Р. (2002). Newnes Dictionary of Electronics. Elsevier Science. стр. 326. ISBN 9780080524054. Получено 2017-01-07 .
^ Лапланте, Филлип А. (1998). Полный словарь по электротехнике. Springer. стр. 143. ISBN 978-3540648352.
^ Лапланте, П. А. (1999). Полный словарь по электротехнике. Springer Berlin Heidelberg. стр. 346. ISBN 9783540648352. Получено 2017-01-07 .
^ Лапланте, П. А. (1999). Полный словарь по электротехнике. Springer Berlin Heidelberg. стр. 243. ISBN 9783540648352. Получено 2017-01-07 .
^ Лапланте, П. А. (1999). Полный словарь по электротехнике. Springer Berlin Heidelberg. стр. 19. ISBN 9783540648352. Получено 2017-01-07 .
^ Амос, SW; Амос, Р. (2002). Newnes Dictionary of Electronics. Elsevier Science. стр. 113. ISBN 9780080524054. Получено 2017-01-07 .
^ Хобсон, П. Дж. и др. (2022). «Заказная конструкция магнитного поля для магнитно-экранированного интерферометра холодных атомов». Sci. Rep . 12 (1): 10520. arXiv : 2110.04498 . Bibcode : 2022NatSR..1210520H. doi : 10.1038/s41598-022-13979-4. PMC 9217970. PMID 35732872. S2CID 238583775.

Дальнейшее чтение

Куэрфурт, Уильям, « Намотка катушек; описание процедур намотки катушек, намоточных машин и соответствующего оборудования для электронной промышленности » (2-е изд.). Чикаго, G. Stevens Mfg. Co., 1958.
Веймут, Ф. Мартен, « Барабанные якоря и коммутаторы (теория и практика): полный трактат по теории и конструкции барабанной обмотки и коммутаторов для замкнутых катушек якорей, вместе с полным резюме некоторых основных моментов, связанных с их конструкцией; и описание реакций якоря и искрения ». Лондон, «The Electrician» Printing and Publishing Co., 1893.
« Процессы катушечных намоток ». Международная ассоциация катушечных намоток.
Чандлер, Р. Х., « Обзор покрытия рулонов, 1970–76 ». Брэйнтри, Р. Х. Чандлер Лтд, 1977.

Внешние ссылки

Найдите термины «катушка» и «намотка» в Викисловаре, бесплатном словаре.

На Викискладе есть медиафайлы по теме Электромагнитные катушки .

Калькулятор индуктивности катушки Онлайн-калькулятор для определения индуктивности однослойных и многослойных катушек
Р. Кларк, " Производство компонентов раны Архивировано 2007-07-07 в Wayback Machine ". Surrey.ac.uk, 2005 9 октября