Ростелеком ТВ 

Импульсная катушка. Индукционная катушка. Корпус в виде улитки

Использование: в области сильных импульсных магнитных систем, используемых в физике твердого тела и высоких энергий. Технический результат заключается в увеличении срока службы за счет изготовления катушки из легкоплавкого металла. Катушка содержит металлический цилиндр из легкоплавного материала, находящегося в форме из немагнитного пластичного материала, расположенной в сосуде. Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Через штуцер в сосуд впускается хладагент. Под действием низкой температуры жидкий металл цилиндра затвердевает согласно форме, тем самым получается цилиндр. С помощью токоведущих шин от импульсного генератора через фланцы в цилиндр подается импульсный ток, который создает необходимое магнитное поле. Если после импульса тока в цилиндре образовались трещины, хладагент через выпускной штуцер выпускается из сосуда. В результате металл цилиндра переходит в жидкое состояние. Далее производится впуск хладагента в сосуд, металл затвердевает и цилиндр готов к очередному импульсу тока. 1 ил.

Изобретение относится к электрофизике, а более конкретно к области сильных импульсных магнитных систем, используемых в физике твердого тела и физике высоких энергий. Известны импульсные катушки (Ф. Херлах. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения. - М.: Мир, 1988. - С. 330-331), которые представляют собой катушки, намотанные прямоугольным проводом, с пропиткой эпоксидной смолой. Снаружи катушка закреплена цилиндром из стали или из стеклопластика. Основным недостатком данных катушек является значительная величина собственной индуктивности катушки, что ограничивает начальную скорость нарастания магнитного поля и увеличивает время нарастания импульса тока в катушке. При больших питающих напряжениях (например, в установках по исследованию высокотемпературной плазмы напряжения, достигают 100-150 кВ) возникают осложнения, связанные с обеспечением межвитковой изоляции. Отмеченных недостатков лишена импульсная катушка (В.С. Камельков. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. - М.: Атомиздат, 1970. - С. 440-441), выполненная в виде одновиткового соленоида, выбранная в качестве прототипа. Катушка изготовлена из целого куска металла (например, из малоуглеродистой стали, меди или бериллиевой бронзы), благодаря чему удается избежать ослабления в месте подвода тока. Конструктивно катушка представляет толстостенный цилиндр с щелью по боковой поверхности. Края цилиндра (по щели) заканчиваются фланцами, в которых проделаны отверстия для крепления токоподводящих шин. Снаружи цилиндр стянут бандажом из дельта-древесины. Основным недостатком прототипа является малый срок службы, например, при увеличении амплитуды индукции получаемого магнитного поля до 28 Т разрушение катушки из малоуглеродистой стали (толщина стенки 5 мм) происходит уже на втором импульсе. Перед автором стояла задача создать импульсную катушку с увеличенным сроком службы. Указанная задача достигается тем, что в импульсной катушке, содержащей металлический цилиндр с щелью по боковой поверхности, края которого (по щели) оканчиваются фланцами для токоведущих шин, металлический цилиндр выполнен из легкоплавкого металла (например, ртути или галлия) и снабжен формой из немагнитного пластичного материала (например, из фторопласта), расположенной в сосуде, который имеет штуцеры для впуска и выпуска хладагента (например, жидкого азота). Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что импульсная катушка отличается: 1) выполнением металлического цилиндра из легкоплавкого металла; 2) использованием формы из немагнитного пластичного материала; 3) наличием сосуда со штуцерами для впуска и выпуска хладагента. Отмеченные отличия позволяют увеличить срок службы из-за возможности восстановления разрушений, вызванных протеканием тока через катушку, путем расплавления металла, из которого выполнен цилиндр, с последующим замораживанием. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Отмеченная новизна заявляемого устройства исследована по его существенным признакам на соответствие критерию "изобретательский уровень", при этом были приняты во внимание источники информации в данной и родственных областях техники, а также те условия, что все существенные признаки изобретения находятся в единой логической взаимосвязи и направлены в совокупности на достижение единого результата. Так, в источнике (Патент N 2082654, МПК 6 В 64 G 1/64. Стыковочное устройство космических аппаратов / Гамаюнов А. В. , Ким К.К., Нефедов А.В. (Россия). - Опубл. 27.06.97. Бюл. N 18) используется легкоплавкий металл, находящийся в стыковочном стакане одного космического аппарата, для жесткой фиксации стреловидного штыря другого стыкуемого аппарата. Очевидно, что данное устройство по своей конструкции, выполняемым функциям и достигнутым результатам не эквивалентно заявляемому устройству. Это позволяет заключить, что заявляемая импульсная катушка обладает новизной и отвечает критерию "изобретательский уровень". Предлагаемое устройство показано на чертеже. Металлический цилиндр 1, выполненный из легкоплавкого металла (например, из ртути или галлия), имеет щель 2 на боковой поверхности. Края цилиндра 1 (по щели) заканчиваются фланцами 3, в которые входят токоведущие шины 4. Стрелками с обозначением I показано направление тока. Цилиндр 1 находится в форме 5, которая изготовлена из немагнитного пластичного материала (например, фторопласта), и представляет собой сосуд для жидкого металла. Форма 5 с цилиндром 1 помещены в сосуд 6, который выполнен из немагнитного материала (например, стекла) и снабжен штуцерами для впуска 7 и выпуска 8 хладагента, например жидкого азота, аргона или двуокиси углерода. Сосуд 6 может выполняться с замкнутой полостью, тогда он снабжается стравливающим клапаном (не показан) или с открытой полостью. Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Во фланцы 3 опускаются токоподводящие шины 4 (металл, находящийся в форме 5, пребывает в жидком состоянии). Через штуцер 7 в сосуд 6 впускается хладагент (если это жидкий азот, то температурой минус 195,8 o C, если аргон - минус 185,7 o C, если двуокись углерода - минус 78,55 o C). Под действием низкой температуры жидкий металл затвердевает согласно форме 5, тем самым получается цилиндр 1 (температура плавления для ртути -38,84 o C; для галлия - -29,78 o C). С помощью токоведущих шин от импульсного генератора (не показаны) через фланцы 3 в цилиндр 1 заводится импульсный ток (I), который создает необходимое магнитное поле. Если после импульса тока в цилиндре 1 образовались трещины (в случае выполнения сосуда 6 из стекла повреждения цилиндра обнаруживаются визуально; если сосуд изготовлен из непрозрачного материала, обнаружение разрушения цилиндра 1 определяется средствами магнитной дефектоскопии), хладагент через выпускной штуцер 8 выпускается из сосуда 6 (либо в окружающее пространство, либо в систему хранения и сжижения хладагента), в результате чего металл цилиндра 1 переходит в жидкое состояние. Далее производится впуск хладагента в сосуд 6, металл затвердевает и цилиндр 1 готов к очередному импульсу тока. Как можно заметить, по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве из-за использования легкоплавкого металла появляется возможность быстрого восстановления разрушенной катушки и ее многократного использования, что значительно увеличивает срок службы последней.

Формула изобретения

Импульсная катушка, содержащая металлический цилиндр с щелью по боковой поверхности, края которого по щели оканчиваются фланцами для токоведущих шин, отличающаяся тем, что металлический цилиндр выполнен из легкоплавкого металла и находится в форме из немагнитного пластичного материала, расположенной в сосуде, который имеет штуцеры для впуска и выпуска хладагента.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении механически нагруженных сверхпроводящих обмоток с напряжением проводника больше 100 МПа при работе, а также сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих магнитов для ускорителей заряженных частиц и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии

Катушка индуктивности – элемент электрических цепей, способствующий накоплению энергии магнитного поля. С использованием изделий изготавливаются колебательные резонансные контуры. Катушка называется потому, что вокруг бобины-сердечника обматывается нить проволоки. Часто в радиотехнике элементы именуют индуктивностями. Подходит случаю, конструкции иной раз мало напоминают катушку.

История создания катушки индуктивности

Катушки индуктивности наматываются фиксированным числом проводов. Этот факт скрывают на уроках физики, избегая забивать ученикам мозги. Потом догадываются бедняги, пытаясь уловить смысл термина бифилярная обмотка двигателя. Нитей бывает больше, выделяют катушки индуктивности:

  • трифилярные;
  • тетрафилярные;
  • пентафилярные.

Обычные катушки индуктивности называют унифилярными – нить проволоки одна. Сразу возникает справедливый вопрос – зачем конструкции? Изобретатель катушку индуктивности неизвестен. Ответы дают, виноват Тесла… Далеко от истины.

Дроссель

Один знаток Майл.ру – не исключено, админ ресурса – ответил: отцом катушек индуктивности является Майкл Фарадей, якобы, открыл магнитную индукцию (согласно англоязычной страничке Википедии). Напрашивается вывод, историковед не владеет вопросом. Главная причина критики «Ответов» Майл — некомпетентность. Фарадей открыл индукцию, применив тороидальный трансформатор с двумя изолированными обмотками. Намного сложнее конструкция, нежели катушка, явление заключалось сопровождалось выходом скачка тока при изменении магнитного поля сердечника.

Произошло описанное в 1831 году, первый электромагнит сконструирован малоизвестным в России Уильямом Стердженом. Знаете, как выглядел прибор? Правильно – катушка индуктивности из 18 витков оголенной медной проволоки с хорошим лакированным ферромагнитным сердечником формы лошадиной подковы. При пропускании по обмотке тока железо в округе притягивалось устройством. Годом выхода первого электромагнита в свет историки считают 1824. Раньше, нежели Фарадей начал эксперименты.

Наставник Хампфри Дэви счел работу плагиатом. Ученик не решался продолжить, конфликтовать открыто. Получилось, в 1829 году безвременно Хампфри Дэви ушел из жизни, благодаря чему Майкл Фарадей возобновил работу. Не потому считаем неверными скудные сведения рунета по рассматриваемому вопросу. Вторая причина кроется в гальванометрах: первый сконструирован 16 сентября 1820 года Иоганном Швейггером. Годом позже великий Ампер усовершенствовал прибор, угадайте, что входило в состав новинки? Правильно – катушка индуктивности, составленная несколькими витками проволоки.

В 1826 году Феликс Савари разряжал лейденскую банку через несколько витков проволоки, обмотанной вокруг стальной иглы. Наблюдая остаточную намагниченность металла. Фактически Савари создал первый колебательный контур, правильно сделав выводы о происходящих процессах.

Майкл Фарадей бессилен стать изобретателем индуктивности. Скорее ученый работал в этом направлении, вел некоторые исследования, получил новый закон касательно электромагнетизма. В результате вопрос об изобретателе катушки индуктивности оставляем открытым. Рискнем предположить, у субъекта темы два отца:

  1. Лаплас на основе доклада Эрстеда высказал предположение: действие тока на магнитную стрелку можно усилить, изогнув провод.
  2. Швейггер реализовал услышанное на практике, создав первый в мире гальванометр, использовав доклады Ампера о зависимости угла отклонения стрелки от силы тока.

Конструкция катушки индуктивности

Вокруг прямолинейного проводника с постоянным током создается круговое магнитное поле. Линии напряженности напоминают спираль. Некто догадался свернуть провод кольцом, чтобы вклад элементарных сегментов сложился в центре. В результате внутри конструкции магнитное поле намного выше, нежели снаружи. Линии визуально наблюдаем на железных опилках. На Ютуб множество роликов, где через индуктивность пропускают ток, демонстрируя упорядоченную ориентацию металлической пыли в момент замыкания контактов. Конструкция способна запасать впрок магнитное поле подобно конденсатору, накапливающему заряд. Катушками называют только индуктивности, содержащие намотку лакированного провода. В микрополосковой технологии напыляемые для запасания магнитного поля элементы логично именовать индуктивностями.

Если в катушке, совсем как в той, что используют швеи, несколько витков провода расположить один за другим бок о бок так, чтобы ось была общей, линии напряженности магнитного поля суммируются. Простейшая индуктивность, способная накапливать энергию магнитного поля. При резком пропадании напряжения образуется явление обратной-ЭДС широко известное технике. Выступает причиной искрения коллекторных двигателей. Используется лакированный (с лаковой изоляцией) медный провод нужного сечения. Количество витков, форма сердечника определяются предварительно расчетами или по имеющемуся образцу.

Бифилярные катушки сегодня широко используются. Что касается обратной ЭДС, служит причиной розжига разрядных ламп (дневного света). Вернемся к конструкции. В первом электромагните проволока оголенная, современные катушки индуктивности наматываются лакированным. Тонкая изоляция при необходимости может быть легко снята (например, токсичной муравьиной кислотой), в исходном состоянии надежно защищает конструкцию против короткого замыкания.

Внутри катушки находится сердечник из ферромагнитного материала. Форма не важна, сечение лучше брать круглым. На высоких частотах магнитный поток (см. ) выходит на поверхность сердечника, смысл применения ферромагнитных сплавов пропадает, иногда используется латунь (даже композитные материалы, диэлектрики). Снижает индуктивность, на высоких частотах запасаемая за период мощность невелика. Трюк проходит. У многих возникает вопрос – зачем нужен сердечник?

Сердечник катушки индуктивности выступает опорой, долговечным каркасом, усиливая магнитное поле. Индукция связана с напряженностью поля через постоянную магнитной проницаемости среды. У ферромагнитных материалов параметр поистине велик. В тысячи раз больше, нежели воздуха, большинства металлов. С ростом частоты необходимость в сердечнике снижается, возникают некоторые негативные эффекты, два из которых особенно важны:

Линии магнитного поля, сформированные опилками

  1. Переменное магнитное поле наводит вихревые токи, посредством которых функционируют индукционные плитки. Результат представите сами: какой нагрев сердечника вызовет. Сердечники силовых трансформаторов собираются из специальной электротехнической стали с высоким сопротивлением, разбиваются тонкими листами, изолированными взаимно слоем лака. Шихтование позволит сильно снизить влияние вихревых токов.
  2. Второй эффект называется перемагничиванием. Отнимает энергию поля, вызывает нагрев материала. Явление характерно для ферромагнитных материалов, устраняется использованием латуни.

В микрополосковой технологии предусмотрено исполнение индуктивностей в виде плоских спиралей: проводящий материал через трафарет напыляется на подложку (возможный метод). Напоминает конструкцию Николы Тесла. Номинал катушка индуктивности имеет весьма малый, иного не надо на частотах СВЧ. Расчет ведется по специальным справочникам, хотя пользуются преимущественно инженеры-конструкторы.

Для намотки индуктивности изготавливают специальные приспособления, напоминающие катушку спиннинга. На ось одевается сердечник с ограничителем по бокам, вращая ручку, мастер внимательно считает количество оборотов, отмеряет нужную длину. Медленно, по способу челнока рука двигается влево-вправо, витки ровно ложатся последовательно.

Зачем нужны бифилярные катушки индуктивности

Иногда катушка наматывается в две и более проволочных нитей. Тесла конструкцию применял для увеличения емкостных качеств. В результате становилось возможным экономить материалы – говорили выше. Что касается состояния на современном этапе развития технологий, причиной создания бифилярных катушек может быть следующее:

Параметры катушек индуктивности

Главной характеристикой катушек называют индуктивность. Физическая величина, в СИ измеряемая Гн (генри), характеризующая величину мнимой составляющей сопротивления конструкции. Параметр показывает, как много магнитного поля запасет катушка. Для простоты энергию за период считают пропорциональной произведению LI2, где L — индуктивность, I – протекающий в системе ток.

Формула расчета индуктивности

Теоретический расчет главного параметра катушек сильно определен конструкцией. Выпускаются специальные методические пособия, формула (см. рисунок: S – площадь сечения намотки, l – длина катушки, N – количество витков проволоки, в формуле — магнитная постоянная и магнитная проницаемость сердечника), приведенная на картинке, частный вариант. Когда индуктивность напоминает катушку. Имеются специальные программы для персонального компьютера, упрощающие процесс.

К вторичным параметрам катушек индуктивности относят:

  • Добротность. Характеризует потери на активном сопротивлении.
  • Собственная индуктивность (см. выше).
  • Температурная стабильность параметров.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности . Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – и .

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку:), то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный 🙂

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.

Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать. Напряжения на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока .

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость 🙂 Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции . Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: , title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="41" style="vertical-align: 0px;">, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень интересному факту – катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:

Где – круговая частота: . – это .

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто 🙂 По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе () друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались 🙂

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

Clone PI-W и, вот, дело дошло до изготовления поисковой моно-катушки. А так как в настоящее время я испытываю некоторые финансовые затруднения, то передо мной стояла непростая задача - сделать катушку самому из максимально дешевых материалов.

Забегая вперед, сразу скажу, что с задачей я справился. В итоге у меня получился вот такой датчик:

Кстати говоря, получившаяся катушка-кольцо отлично подойдет не только для Clone, но и практически для любого другого импульсника (Кощей, Tracker, Пират).

Рассказывать буду очень подробно, так как дъявол зачастую кроется в деталях. Тем более, что коротких историй изготовления катушек в инете пруд пруди (типо, берем вот это, тут отрезаем, обматываем, склеиваем и готово!) А начинаешь делать сам и оказывается, что о самом важном упомянули вскользь, а кое о чем вообще забыли сказать... И получается, что все сложнее, чем казалось в самом начале.

Здесь такого не будет. Готовы? Поехали!

Задумка

Проще всего для самостоятельного изготовления мне показалась такая конструкция: берем диск из листового материала толщиной ~4-6 мм. Диаметр этого диска определяется диаметром будущей обмотки (в моем случае он должен быть равен 21 см).

Затем к этому блинчику с обоих сторон приклеиваем два диска чуть большего диаметра, чтобы получилась как бы шпулька для намотки проволоки. Т.е. такая сильно увеличенная по диаметру, но сплюснутая по высоте катушка.

Для наглядности попробую изобразить это на чертеже:

Надеюсь, основная задумка ясна. Просто три диска, склеенные между собой по всей площади.

Выбор материала

В качестве материала я планировал взять оргстекло. Оно отлично обрабатывается и клеится дихлорэтаном. Но, к сожалению, так и не смог найти его забесплатно.

Всякие колхозные материалы типа фанеры, картона, крышек от ведер и т.п. я сразу отбросил, как непригодные. Хотелось чего-то прочного, долговечного и желательно водонепроницаемого.

И тогда мой взор обратился к стеклоткани...

Ни для кого не секрет, что из стеклоткани (или из стекломата, стеклохолста) делают все, что душе угодно. Даже моторные лодки и бамперы для автомобилей. Ткань пропитывают эпоксидной смолой, придают ей нужную форму и оставляют до полного отвердения. Получается прочный, водостойкий, легкообратываемый материал. А это как раз то, что нам нужно.

Итак, нам нужно сделать три блинчика и уши для крепления штанги.

Изготовление отдельных частей

Блины №1 и №2

Расчеты показали, что для получения листа толщиной 5.5 мм нужно взять 18 слоев стеклоткани. Чтобы снизить расход эпоксидки, стеклоткань лучше заранее нарезать кружочками требуемого диаметра.

Для диска диаметром 21 см как раз хватило 100 мл эпоксидной смолы.

Каждый слой нужно тщательно промазать, а затем всю стопку положить под пресс. Чем больше будет давление, тем лучше - лишняя смола выдавится, масса конечного изделия станет чуточку меньше, а прочность чуточку больше. Я нагрузил сверху примерно сотню килограмм и оставил до утра. На следующий день получился вот такой блинчик:

Это самая массивная часть будущей катушки. Весит он - будь здоров!

Потом расскажу, как за счет этой запчасти можно будет ощутимо снизить массу готового датчика.

Точно таким же образом был сделан диск диаметром 23 см и толщиной 1.5 мм. Его масса - 89 г.

Блин №3

Третий диск клеить не пришлось. В моем распоряжении оказался лист стеклотекстолита подходящего размера и толщины. Это была печатная плата от какого-то древнего устройства:

К великому сожалению, плата была с металлизированными отверстиями, поэтому пришлось потратить какое-то время на их высверливание.

Я решил, что это будет верхний диск, поэтому проделал в нем отверстие под ввод кабеля.

Уши для штанги

Остатков текстолита как раз хватило на уши для крепления корпуса датчика к штанге. Выпилил по два кусочка на каждое ухо (чтобы было прочно!)

В ушах надо сразу же просверлить отверстия под пластиковый болт, так как потом будет очень неудобно этим заниматься.

Кстати, это крепежный болт для стульчака унитаза.

Итак, все составляющие нашей катушки готовы. Осталось все это склеить в один большой бутерброд. И не забыть завести внутрь кабель.

Сборка в одно целое

Сначала верхний диск из дырявого стеклотекстолита склеил со средним блинчиком из 18 слоев стеклоткани. На это ушло буквально несколько миллилитров эпоксидки - этого хватило, чтобы промазать обе склеиваемые поверхности по всей площади.


Монтаж ушей

С помощью лобзика пропилил пазы. В одном месте, естественно, слегка перестарался:

Чтобы ухи хорошо легли, сделал небольшой скос на краях пропилов:

Теперь надо было решить, какой вариант лучше? Уши-то можно поставить по-разному...

Катушки промышленного производства чаще сделаны по правому варианту, мне же больше нравится левый. Я вообще частенько принимаю левые решения...

По идее, правый способ лучше сбалансирован, т.к. крепление штанги оказывается ближе к центру тяжести. Но далеко не факт, что после облегчения катушки, ее центр тяжести не сместится в ту или иную сторону.

Левый способ крепления чисто визуально выглядит приятнее (ИМХО), к тому же в этом случае общая длина металлоискателя в сложенном виде будет на пару сантиметров меньше. Для того, кто планирует возить прибор в рюкзаке, это может оказаться важным.

В общем, я свой выбор сделал и приступил к вклеиванию. Обильно намазал бокситкой, надежно зафиксировал в нужном положении и оставил застывать:

После застывания, все торчащее с обратной стороны сошкурил наждачкой:

Ввод кабеля

Затем с помощью круглого надфиля подготовил канавки для проводников, завел соединительный кабель через отверстие и вклеил его намертво:

Для предотвращения сильных перегибов, кабель в месте ввода нужно было как-то усилить. Для этих целей я заюзал, невесть откуда взявшуюся у меня, вот такую резиновую фигнюшку:

Короче, настругал немного стеклоткани:

и круто замешал ее с бокситкой с добавлением пасты от шариковой ручки. Получилась вязкая субстанция, похожая на мокрые волосы. Таким составом можно замазывать любые щели без проблем:

Кусочки стекловолокна придают шпатлевке необходимую вязкость, а после застывания обеспечивают повышенную прочность клеевого шва.

Чтобы смесь как следует уплотнилась, а смола пропитала витки провода, обмотал все это изолентой в натяг:

Изолента должна быть обязательно зеленой или, на худой конец, синей.

После того, как все хорошенько застыло, мне стало интересно, насколько прочной получилась конструкция. Оказалось, что катушка спокойно выдерживает мой вес (около 80 кг).

На самом деле такая сверхпрочная катушка нам не нужна, гораздо важнее ее вес. Слишком большая масса датчика обязательно даст о себе знать болью в плече, особенно, если вы планируете вести длительный поиск.

Облегчайзинг

Чтобы уменьшить вес катушки, было решено выпилить некоторые участки конструкции:

Данная манипуляция позволила скинуть 168 грамм лишнего веса. При этом прочность датчика практически не уменьшилась, в чем можно убедиться благодаря данному видео:

Теперь задним умом понимаю, как можно было изготовить катушку еще немного легче. Для этого надо было заранее наделать больших отверстий в среднем блинчике (перед тем, как все склеивать). Что-то типа такого:

Пустоты внутри конструкции почти не сказались бы на прочности, но зато снизили бы общую массу еще грамм на 20-30. Сейчас, конечно, уже поздняк метаться, но на будущее учту.

Еще один путь облегчения конструкции датчика - уменьшить ширину наружного кольца (где уложены витки провода) миллиметров на 6-7. Конечно, это можно сделать и сейчас, но пока нет такой необходимости.

Финишная окраска

Нашел отличную краску для стеклотекстолита и изделий из стекловолокна - эпоксидная смола с добавлением красителя нужного цвета. Так как вся конструкция моего датчика изготовлена на основе бокситки, то краска на основе смолы будет иметь отличную адгезию, и ляжет как родная.

В качестве красителя черного цвета применил алкидную эмаль ПФ-115, добавляя ее до получения нужной укрывистости.

Как показала практика, слой такой краски держится очень прочно, а выглядит так, будто изделие обмакнули в жидкий пластик:

При этом цвет может быть любым в зависимости от используемой эмали.

Итоговая масса поисковой катушки вместе с кабелем после покраски - 407 г

Кабель отдельно весит ~80 грамм.

Проверка

После того, как наша самодельная катушка для металлоискателя была полностью готова, надо было проверить ее на отсутствие внутреннего обрыва. Самый простой способ проверки - тестером измерить сопротивление обмотки, которое в норме должно быть очень низким (максимум 2.5 Ома).

В моем случае сопротивление катушки вместе с двумя метрами соединительного кабеля оказалось в районе 0.9 Ом.

К сожалению, таким простым способом не получится выявить межвитковое замыкание, поэтому приходится рассчитывать на свою аккуратность при намотке. Замыкание, если оно есть, сразу же проявит себя после запуска схемы - металлоискатель будет потреблять повышенный ток и иметь крайне низкую чувствительность.

Заключение

Итак, считаю, что поставленная задача была выполнена успешно: мне удалось сделать очень прочную, водостойкую и не слишком тяжелую катушку из самых бросовых материалов. Список расходов:

  • Лист стеклотекстолита 27 х 25 см - бесплатно;
  • Лист стеклоткани, 2 х 0.7 м - бесплатно;
  • Эпоксидная смола, 200 г - 120 руб;
  • Эмаль ПФ-115, черная, 0.4 кг - 72 руб;
  • Намоточный провод ПЭТВ-2 0.71 мм, 100 г - 250 руб;
  • Соединительный кабель ПВС 2х1.5 (2 метра) - 46 руб;
  • Кабельный ввод - бесплатно.

Теперь передо мной стоит задача изготовления точно такой же нищебродской штанги. Но это уже .

Катушки индуктивности нашли широкое применение в электротехнике в качестве накопителей энергии, колебательных контуров, ограничения тока. Поэтому их можно встретить везде, начиная от портативной электроники, заканчивая подстанциями в виде гигантских реакторов. В этой статье мы расскажем, что это такое катушка индуктивности, а также какой у нее принцип работы и многое другое.

Определение и принцип действия

Катушка индуктивности - это катушка смотанного в спираль или другую форму изолированного проводника. Основные особенности и свойства: высокая индуктивность при низкой ёмкости и активном сопротивлении.

Она накапливает энергию в магнитном поле. На рисунке ниже вы видите её условное графическое обозначение на схеме (УГО) в разных видах и функциональных назначениях.

Она может быть с сердечником и без него. При этом с сердечником индуктивность будет в разы больше, чем если его нет. От материала, из которого изготовлен сердечник, также зависит величина индуктивности. Сердечник может быть сплошным или разомкнутым (с зазором).

Напомним один из законов коммутации:

Ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Это значит, что катушка индуктивности - это своего рода инерционный элемент в электрической цепи (реактивное сопротивление).

Давайте поговорим, как работает это устройство? Чем больше индуктивность, тем больше изменение тока будет отставать от изменения напряжения, а в цепях переменного тока - фаза тока отставать от фазы напряжения.

В этом и заключается принцип работы катушек индуктивности – накопление энергии и задерживание фронта нарастания тока в цепи.

Из этого же вытекает и следующий факт: при разрыве в цепи с высокой индуктивностью напряжение на ключе повышается и образуется , если ключ полупроводниковый - происходит его пробой. Для борьбы с этим используются снабберные цепи, чаще всего из и , установленного параллельно ключу.

Виды и типы катушек

В зависимости от сферы применения и частоты цепи может отличаться конструкция катушки.

По частоте можно условно разделить на:


Конструкция отличается в зависимости от характеристик катушки, например, намотка может быть однослойной и многослойной, намотанной виток к витку или с шагом. Шаг между витками может быть постоянным или прогрессивным (изменяющимся по длине катушки). Способ намотки и конструкция влияют на конечные размеры изделия.

Отдельно стоит рассказать о том, как устроена катушка с переменной индуктивностью, их еще называют вариометры. На практике можно встретить разные решения:

  • Сердечник может двигаться относительно обмотки.
  • Две обмотки расположены на одном сердечнике и соединены последовательно, при их перемещении изменяется взаимоиндукция и индуктивная связь.
  • Сами витки для настройки контура могут раздвигаться или сужаться приближаясь друг к другу (чем плотнее намотка - тем больше индуктивность).

По способу намотки бывают также различными, например, фильтры со встречной намоткой подавляют , а намотанные в одну сторону (согласованная намотка) подавляют дифференциальные помехи.

Для чего нужны и какие бывают

В зависимости от того, где применяется катушка индуктивности и её функциональных особенностей, она может называться по-разному: дроссели, соленоиды и прочее. Давайте рассмотрим, какие бывают катушки индуктивности и их сферу применения.

Обычно так называются устройства для ограничения тока, область применения:


Токоограничивающие реакторы - используются для ограничения токов короткого замыкания на ЛЭП.

Примечание: у дросселей и реакторов должно быть низкое активное сопротивление для уменьшения их нагрева и потерь.

Контурные катушки индуктивности. Используются в паре с конденсатором в колебательном контуре. Резонансная частота подбирается под частоту приема или передачи в радиосвязи. У них должна быть высокая добротность.

Вариометры. Как было сказано - это настраиваемые или переменные катушки индуктивности. Чаще всего используются в тех же колебательных контурах для точной настройки частоты резонанса.

Соленоид - так называется катушка, длина которой значительно больше диаметра. Таким образом внутри соленоида образуется равномерное магнитное поле. Чаще всего соленоиды используются для совершения механической работы - поступательного движения. Такие изделия называют еще электромагнитами.

Рассмотрим, где используются соленоиды.

Это может быть активатор замка в автомобиле, шток которого втягивается после подачи на соленоид напряжения, и звонок, и различные исполнительные электромеханические устройства типа клапанов, грузоподъёмные магниты на металлургических производствах.

В реле, и соленоид также выполняет функцию электромагнита для привода силовых контактов. Но в этом случае его чаще называют просто катушка или обмотка реле (пускателя, контактора соответственно), как выглядит, на примере малогабаритного реле вы видите ниже.

Рамочные и кольцевые антенны. Их назначение - передача радиосигнала. Используются в иммобилайзерах автомобилей, металлодетекторах и для беспроводной связи.

Индукционные нагреватели, тогда она называется индуктором, вместо сердечника помещают нагреваемое тело (обычно металл).

Основные параметры

К основным характеристикам катушки индуктивности можно отнести:

Для обозначения номинала катушки индуктивности используют буквенную или цветовую маркировку. Есть два вида буквенной маркировки.


Цветовую маркировку можно распознать аналогично таковой на резисторах. Воспользуйтесь таблицей, чтобы расшифровать цветные полосы или кольца на элементе. Первое кольце иногда делают шире остальных.

На это мы и заканчиваем рассматривать, что собой представляет катушка индуктивности, из чего она состоит и зачем нужна. Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео по теме статьи:

Материалы