Индукционная катушка - Induction coil

Эта статья о типе трансформатор который производит импульсы высокого напряжения. Для более общего электрического компонента см. Индуктор. Для высокочастотного нагревательного змеевика см. индукционный нагрев. Об устройстве в телефонных аппаратах см. гибридная катушка.
Старинная индукционная катушка, используемая в школах, примерно с 1900 года, Бремерхафен, Германия
Индукционная катушка с изображением конструкции 1920 года.

An индукционная катушка или «искровая катушка» (архаично известный как индуктор или же Катушка Румкорфа[1] после Генрих Рюмкорфф ) - это тип электрического трансформатор[2][3][4] используется для получения высоковольтных импульсов из низковольтного постоянный ток (DC) питание.[1][5] Для создания поток изменения, необходимые для индукции напряжения во вторичной катушке, постоянный ток в первичной катушке многократно прерывается вибрирующими механическими контакт называется прерыватель.[1] Изобретен в 1836 г. Николас Каллан, с дополнительным исследованием Чарльз Графтон Пейдж и другие,[1] индукционная катушка была первым типом трансформатора. Он широко использовался в рентгеновские аппараты,[1][6] искровые радиопередатчики,[1][6] дуговое освещение и шарлатан медицинский электротерапия устройства с 1880-х до 1920-х годов. Сегодня его единственное распространенное использование - это катушки зажигания в двигатель внутреннего сгорания и в физическом образовании, чтобы продемонстрировать индукция.

Конструкция и функции

Принципиальная схема

Индукционная катушка состоит из двух катушек изолированного провода, намотанного на общий железное ядро (М).[1][7] Одна катушка, называемая первичная обмотка (П), изготавливается из относительно небольшого числа (десятков или сотен) витков крупной проволоки.[7] Другая катушка, вторичная обмотка, (S) обычно состоит из миллиона витков тонкой проволоки (до 40 калибра).[8][1][7]

An электрический ток проходит через первичный, создавая магнитное поле.[1][7] Из-за общего сердечника большая часть магнитного поля первичной обмотки связана с вторичной обмоткой.[нужна цитата ] Первичный ведет себя как индуктор, запасая энергию в соответствующем магнитном поле. Когда первичный ток внезапно прерывается, магнитное поле быстро разрушается. Это вызывает высокое напряжение импульс, который должен развиваться на вторичных клеммах через электромагнитная индукция. Из-за большого количества витков вторичной катушки импульс вторичного напряжения обычно составляет многие тысячи вольт. Этого напряжения часто бывает достаточно, чтобы вызвать электрическая искра, перепрыгнуть через воздушный зазор (ГРАММ) разделение выходных клемм вторичной обмотки. По этой причине индукционные катушки были названы искровыми катушками.

Индукционная катушка традиционно характеризуется длиной искры, которую она может произвести; Индукционная катушка «4 дюйма» (10 см) могла произвести искру размером 4 дюйма. До разработки электронно-лучевой осциллограф, это было наиболее надежное измерение пикового напряжения таких асимметричных сигналов. Связь между длиной искры и напряжением линейна в широком диапазоне:

4 дюйма (10 см) = 110кВ; 8 дюймов (20 см) = 150кВ; 12 дюймов (30 см) = 190кВ; 16 дюймов (41 см) = 230 кВ[9]

Кривые, представленные современными эталонами, полностью соответствуют этим значениям.[10]

Прерыватель

Без конденсатора
С конденсатором
Формы сигналов в индукционной катушке с разомкнутым выходом (без искры). я1 (синий ) - ток в первичной обмотке катушки, v2 (красный ) напряжение на вторичной обмотке. Не в обычном масштабе; v2 на нижнем рисунке намного больше.[сомнительный – обсуждать]

Чтобы катушка работала непрерывно, необходимо многократно включать и отключать постоянный ток питания, чтобы создать изменения магнитного поля, необходимые для индукции.[1] Для этого в индукционных катушках используется вибрирующий рычаг с магнитным приводом, называемый прерыватель или же перемена (А) для быстрого подключения и отключения тока, протекающего в первичной катушке.[1] Прерыватель устанавливается на конце катушки рядом с железным сердечником. При включении питания возрастающий ток в первичной катушке создает увеличивающееся магнитное поле, магнитное поле притягивает железный якорь прерывателя (А). Через некоторое время магнитное притяжение преодолевает силу пружины якоря, и якорь начинает двигаться. Когда якорь переместится достаточно далеко, пара контактов (K) в первичной цепи разомкнуть и отключить первичный ток. Отключение тока вызывает коллапс магнитного поля и образование искры. Кроме того, сжатое поле больше не притягивает якорь, поэтому сила пружины ускоряет якорь до его исходного положения. Через короткое время контакты снова соединяются, и ток снова начинает создавать магнитное поле. Весь процесс начинается заново и повторяется много раз в секунду. Вторичное напряжение v2 (красный, слева), примерно пропорциональна скорости изменения первичного тока я1 (синий).

Противоположные потенциалы индуцируются во вторичной обмотке, когда прерыватель «разрывает» цепь и «замыкает» цепь. Однако изменение тока в первичной обмотке гораздо более резкое, когда прерыватель «ломается». Когда контакты замыкаются, ток в первичной обмотке медленно нарастает, потому что напряжение питания имеет ограниченную способность проталкивать ток через индуктивность катушки. Напротив, когда контакты прерывателя размыкаются, ток внезапно падает до нуля. Таким образом, импульс напряжения, индуцированный во вторичной обмотке при «обрыве», намного больше, чем импульс, наведенный при «закрытии», именно «обрыв» генерирует высоковольтное выходное напряжение катушки.

Конденсатор

При обрыве на контактах прерывателя образуется дуга, которая имеет нежелательные эффекты: дуга потребляет энергию, накопленную в магнитном поле, снижает выходное напряжение и повреждает контакты.[11] Чтобы этого не произошло, закалка конденсатор (С) от 0,5 до 15 мкФ подключается к первичной катушке, чтобы замедлить рост напряжения после разрыва. Конденсатор и первичная обмотка вместе образуют настроенная схема, так что на перерыв затухающая волна течет в первичной обмотке и аналогичным образом вызывает затухающую волну во вторичной обмотке. В результате высоковольтный выход состоит из серии затухающих волн. (оставили).[нужна цитата ]

Детали конструкции

Чтобы высокое напряжение, генерируемое в катушке, не повредило тонкую изоляция и дуга Между вторичными проводами вторичная обмотка имеет особую конструкцию, чтобы избежать расположения рядом друг с другом проводов, несущих большие перепады напряжения. В одном широко используемом методе вторичная обмотка наматывается на множество тонких плоских блинных секций (называемых «пирогами»), соединенных между собой. серии.[12][1] Первичная обмотка сначала наматывается на железный сердечник и изолируется от вторичной обмотки толстой бумагой или резиновым покрытием.[1] Затем каждая вторичная катушка подключается к катушке рядом с ней и надевается на железный сердечник, изолированный от соседних катушек с помощью вощеных картонных дисков. Напряжение, развиваемое в каждой суб-катушке, недостаточно велико для перехода между проводами в суб-катушке.[1] Большие напряжения возникают только во многих последовательно соединенных катушках, которые слишком удалены друг от друга, чтобы их можно было перебросить. Чтобы покрыть всю катушку окончательным изоляционным покрытием, ее погружают в расплавленный парафиновая свеча или же канифоль; воздух откачивается, чтобы убедиться, что внутри не осталось пузырьков воздуха, а парафину дают затвердеть, поэтому весь змеевик покрывается воском.

Предотвращать вихревые токи, которые вызывают потери энергии, железный сердечник состоит из пучка параллельных железных проволок, покрытых по отдельности шеллак чтобы изолировать их электрически.[1] Вихревые токи, протекающие в сердечнике по петлям 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 обмотки к первичной обмотке или сердечнику.

Ртутные и электролитические прерыватели

(оставили) Трехэлектродный прерыватель Wehnelt используется в катушках большой мощности. (верно) Прерыватель турбины Mercury. Мотор вращает зубчатое колесо, при этом на зубья распыляется струя ртути. Регулируя колесо вверх и вниз, можно изменить рабочий цикл первичного тока.

Хотя все современные индукционные катушки, используемые в образовательных целях, используют описанный выше прерыватель типа «молоток» с вибрирующим рычагом, они не подходили для питания больших индукционных катушек, используемых в искровые радиопередатчики и рентгеновские аппараты на рубеже 20-го века. В мощных катушках большой первичный ток создавал дуги на контактах прерывателя, которые быстро разрушали контакты.[1] Кроме того, поскольку каждый «разрыв» вызывает импульс напряжения на катушке, чем больше разрывов в секунду, тем больше выходная мощность. Молотковые прерыватели не могли прерываться со скоростью более 200 прерываний в секунду, а те, которые использовались на мощных катушках, ограничивались 20-40 прерываниями в секунду.

Поэтому большое количество исследований было направлено на улучшение прерывателей, и улучшенные конструкции использовались в катушках большой мощности, а молотковые прерыватели использовались только на небольших катушках с искрами менее 8 дюймов.[13] Леон Фуко и другие разработали прерыватели, состоящие из колеблющейся иглы, погружающейся в контейнер с Меркурий.[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 скорость прерывания и время ожидания отдельно от первичного тока.

В самых больших змеевиках использовались электролитические или ртутные прерыватели турбин.[1] Электролитический прерыватель или прерыватель Венельта, изобретенный Артур Венельт в 1899 г. состояла из короткого платина иголка анод погруженный в электролит разбавленного серная кислота, с другой стороной схемы, подключенной к свинцовой пластине катод.[1][14] Когда через него проходил первичный ток, на игле образовывались пузырьки газообразного водорода, которые многократно размыкали цепь. Это привело к случайному прерыванию первичного тока со скоростью до 2000 прерываний в секунду. Они были предпочтительны для питания рентгеновских трубок. Они выделяли много тепла и из-за водорода могли взорваться. Турбинные прерыватели Mercury имели центробежный насос, который распыляет струю жидкости Меркурий на вращающиеся металлические контакты.[1] Они могли обеспечивать скорость прерывания до 10 000 прерываний в секунду и были наиболее широко используемым типом прерывателей в коммерческих беспроводных станциях.[1][14]

История

Ранняя катушка Уильям Стерджен, 1837. Пилообразный цинковый прерыватель. (D) был повернут вручную. Первая катушка с разделенным сердечником из железных проводов. (F) для предотвращения возникновения вихревых токов.
Ранняя катушка Чарльза Г. Пейджа, 1838 г., имела один из первых автоматических прерывателей. Чаша была наполнена ртутью. Магнитное поле притягивает кусок железа на руке. (оставили), вынимая провод из чашки, размыкая первичный контур.
Индукционная катушка Генрих Румкорф, 1850-е гг. Помимо молоткового прерывателя (верно), в нем был ртутный прерыватель Физо (оставили) которое можно отрегулировать, чтобы изменить время задержки.
Одна из крупнейших когда-либо построенных катушек, построенная в 1877 году Альфредом Аппсом для Уильяма Споттисвуда. Обмотка проводом длиной 280 миль может вызвать искру 42 дюйма (106 см), что соответствует примерно одному миллиону вольт. Работает от жидких батарей емкостью 30 литров и отдельного прерывателя (не показано).
Первая индукционная катушка, построенная Николасом Калланом в 1836 году.

Индукционная катушка была первым типом электрических трансформатор. Во время его разработки между 1836 и 1860-ми годами, в основном методом проб и ошибок, исследователи обнаружили многие принципы, которые управляли всеми трансформаторами, такие как пропорциональность между витками и выходным напряжением и использование «разделенного» железного сердечника для уменьшения вихревой ток убытки.

Майкл Фарадей открыл принцип индукции, Закон индукции Фарадея в 1831 г. и провел первые эксперименты с индукцией между витками проволоки.[15] Индукционная катушка была изобретена американским врачом. Чарльз Графтон Пейдж в 1836 г.[16][17] и независимо от ирландского ученого и католического священника Николас Каллан в том же году на Колледж Святого Патрика, Мейнут[1][18][19][20][21] и улучшен Уильям Стерджен.[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 прерыватель типа «молоток» был изобретен преподобным проф. Джеймс Уильям МакГоли (1838) из Дублина, Ирландия,[16][26] Иоганн Филипп Вагнер (1839) и Кристиан Эрнст Нефф (1847).[1][27][28] Ипполит Физо (1853) ввел использование гасящего конденсатора.[1][29][30] Генрих Румкорф генерировал более высокие напряжения за счет значительного увеличения длины вторичной обмотки,[1] в некоторых катушках используется 5 или 6 миль (10 км) проволоки, и возникают искры до 16 дюймов. В начале 1850-х годов американский изобретатель Эдвард Сэмюэл Ричи введена разделенная вторичная конструкция для улучшения изоляции.[31][32] Джонатан Нэш Хердер работал на индукционных катушках.[33][34][35][36][37] Индукционная катушка Каллана была названа IEEE Milestone в 2006 году.[38]

Индукционные катушки использовались для обеспечения высокого напряжения на ранних этапах сброс газа и Трубки Крукса и другие исследования высокого напряжения. Они также использовались для развлечения (освещение Трубки Гейсслера, например) и погонять маленькие "шоковые катушки", Катушки Тесла и фиолетовый луч устройства, используемые в шарлатанское лекарство. Их использовали Герц чтобы продемонстрировать существование электромагнитных волн, как предсказывает Джеймс Клерк Максвелл и по Домик и Маркони в первых исследованиях радиоволн. Их наибольшее промышленное использование, вероятно, было в начале беспроводной телеграф искровые радиопередатчики и к власти рано холодный катод рентгеновские трубки с 1890-х по 1920-е годы, после чего в обоих этих приложениях они были вытеснены AC трансформаторы и вакуумные трубки. Однако их наибольшее использование было в качестве катушка зажигания или искровой катушки в система зажигания из двигатель внутреннего сгорания, где они все еще используются, хотя контакты прерывателя теперь заменены на твердое состояние переключатели. Меньшая версия используется для запуска лампы вспышки используется в камерах и стробоскоп огни.

Индукционная катушка (верх) питание 1915 настенный рентгеновский аппарат с электролитическим выключателем (Нижний).
Катушка зажигания вибратора использовался в ранних автомобилях, таких как Ford Model T около 1910 г.
Современный автомобиль катушка зажигания, наибольшее оставшееся использование индукционных катушек

Смотрите также

Сноски

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab Джон Арчибальд Флеминг «Индукционная катушка». Британская энциклопедия, 11-е изд.. 13. The Encyclopdia Britannica Co., 1911. стр. 502–505.. Получено 13 октября, 2014.
  2. ^ "Аннус Мирабилис". Новый Ученый. Лондон: информация о бизнесе компании Reed. 5 (19): 445. Февраль 1959 г.. Получено 20 ноября 2018.
  3. ^ Стрикленд, Джеффри (2011). Странные ученые: создатели квантовой физики. Лулу. п. 98. ISBN  978-1257976249.
  4. ^ Уэйгуд, Адриан (2016). Электротехника для техников. Рутледж. п. 162. ISBN  978-1317534914.
  5. ^ Коллинз, Арчи Ф. (1908). Конструкция и изготовление индукционных катушек. Нью-Йорк: Манн и Ко, стр.98. стр.98
  6. ^ а б Коллинз, 1908, стр. iii
  7. ^ а б c d Коллинз, 1908, стр. 16-19
  8. ^ Циклопедия прикладного электричества, Американская школа переписки, Чикаго (1908), Электричество и магнетизм, 74. Индукционные катушки.
  9. ^ Шалл, К. (1914). Электромедицинские инструменты и управление ими. Schall & Son Лондон.
  10. ^ Э. Куффель, В. С. Заенгл (1984). Техника высокого напряжения. Pergamon Press. п. 374. ISBN  0-08-024212-X.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  11. ^ Шалл, К. (1905). Электромедицинские инструменты и управление ими. Bemrose & Sons Ltd. Принтеры. стр.78.
  12. ^ Шнайдер, Норман Х. (1896). Индукционные катушки Румкорфа, их конструкция, работа и применение. Спон и Чемберлен. стр.10 -14, 16.
  13. ^ Коллинз, 1908, стр. 98
  14. ^ а б Мур, Артур (1911). Как сделать беспроводной набор. Чикаго: The Popular Mechanics Co. ISBN  978-1440048746. Электролитический прерыватель состоит из емкости, содержащей раствор разбавленной серной кислоты, с двумя выводами, погруженными в этот раствор. Положительный вывод или анод изготовлены из платины и должны иметь поверхность около 3/16 дюйма. [Sic] Отрицательный вывод или катод сделаны из свинца и должны иметь площадь около 1 кв. Фута. Когда этот прерыватель соединенный 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 он не идентифицируется как прерыватель Wehnelt.
  15. ^ Фарадей, Майкл (1834). «Экспериментальные исследования в области электричества. Седьмая серия». Философские труды Лондонского королевского общества. 124: 77–122. Дои:10.1098 / рстл.1834.0008. S2CID  116224057.
  16. ^ а б Пейдж, Чарльз Графтон (1867 г.). История индукции: американские претензии к индукционной катушке и ее электростатическим разработкам. Вашингтон, округ Колумбия: Типография Intelligencer. стр.26 –27, 57.
  17. ^ Чарник, Стэнли А. (март 1993 г.). "Классическая индукционная катушка" (PDF). Популярная электроника. 9 (3): 35–40. ISSN  1042–170X. Получено 3 сентября, 2015., в архиве В архиве 2016-10-30 на Wayback Machine
  18. ^ Каллан, Н. Дж. (Декабрь 1836 г.). «О новой гальванической батарее». Философский журнал. 9 (3): 472–478. Дои:10.1080/14786443608649044. Получено 14 февраля, 2013.
  19. ^ Каллан, Н. Дж. Описание электромагнитного повторителя в Осетр, Эд., Уильям (1837). Анналы электричества, магнетизма и химии, Vol. 1. Лондон: Шервуд, Гилберт и Пайпер. С. 229–230. и стр.522 рис. 52
  20. ^ Флеминг, Джон Эмброуз (1896). Трансформатор переменного тока в теории и практике, Vol. 2. Лондон: The Electrician Publishing Co., стр. 16–18.
  21. ^ МакКейт, Найл. "Преподобный профессор Николас Каллан". Национальный музей науки. Колледж Святого Патрика, Мейнут. Архивировано из оригинал 25 февраля 2013 г.. Получено 14 февраля, 2013.
  22. ^ Флеминг (1896) Трансформатор переменного тока в теории и практике, Vol. 2, п. 10-11
  23. ^ Массон, Антуан Филибер (1837). "Rapport sur plusieurs mémoires, relatifs à un mode specific d'action des courants électriques (Отчет о нескольких мемуарах, касающихся конкретного способа действия электрического тока)". Comptes Rendus. 4: 456–460. Получено 14 февраля, 2013. На странице 458 описан прерыватель, состоящий из зубчатого колеса.
  24. ^ Массон, А. (1837). "De l'induction d'un courant sur lui-même (Об индукции тока в самом себе)". Annales de Chimie et de Physique. 66: 5–36. Получено 14 февраля, 2013.
  25. ^ Массон, Антуан Филибер; Луи Бреге (1841 г.). "Mémoire sur l'induction". Annales de Chimie et de Physique. 4 (3): 129–152. Получено 14 февраля, 2013. На странице 134 Массон описывает зубчатые колеса, которые функционировали как прерыватель.
  26. ^ МакГоли, Дж. У. (1838). «Электромагнитные аппараты для производства электроэнергии высокой интенсивности». Труды Британской ассоциации развития науки. 7: 25. представлен на собрании сентября 1837 г. в Ливерпуле, Англия.
  27. ^ Нефф, Кристиан Эрнст (1839). "Ueber einen neuen Magnetelektromotor (О новом электромагнитном двигателе)". Annalen der Physik und Chemie. 46: 104–127. Получено 14 февраля, 2013.
  28. ^ Нефф, К. (1835). "Das Blitzrad, ein Apparat zu rasch abwechselnden galvanischen Schliessungen und Trennungen (Искровое колесо, устройство для быстро меняющихся замыканий и размыканий гальванических цепей)". Annalen der Physik und Chemie. 36: 352–366. Получено 14 февраля, 2013. Описание более раннего прерывателя с зубчатым колесом Неффа и Вагнера
  29. ^ Физо, Х. (1853). "Обратите внимание на индуктивные электрические машины и на их простую работу". [Замечание об электрических индукционных машинах и простом способе увеличения их эффективности]. Comptes Rendus (На французском). 36: 418–421. Получено 14 февраля, 2013.
  30. ^ Севернс, Руди. «История мягкого переключения. Часть 2» (PDF). Центр ресурсов дизайна. Журнал Switching Power. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-16. Получено 2008-05-16.
  31. ^ Американская академия искусств и наук, Труды Американской академии искусств и наук, Vol. XXIII, май 1895 - май 1896, Бостон: University Press, Джон Уилсон и сын (1896), стр. 359-360.
  32. ^ Пейдж, Чарльз Г., История индукции: американские претензии к индукционной катушке и ее электростатическим разработкам, Вашингтон, округ Колумбия: Типография Intelligencer (1867 г.), стр. 104-106
  33. ^ Флеминг, Дж. А. (1891). «Историческое развитие индукционной катушки и трансформатора». Электрик. 26–27: V26: –– 417, V27: 211–213, 246–248, 300–302, 359–361, 433–435. на странице 360.
  34. ^ «Индукционная катушка слушателя». Журнал Института Франклина. 63 (3): 179–81. 1857. Дои:10.1016/0016-0032(57)90712-3.
  35. ^ «Улучшенная индукционная катушка». Философский журнал. Серия 4. 13 (88): 471. 1857. Дои:10.1080/14786445708642330.
  36. ^ «Улучшенная индукционная катушка». Философский журнал. Серия 4. 14 (93): 319–20. 1857. Дои:10.1080/14786445708642396.
  37. ^ Слушатель, Ян Г. (сентябрь 2004 г.). "Слушатель, Джонатан Нэш (1809–1876)". Оксфордский национальный биографический словарь. Oxford University Press. Получено 7 апреля 2010.
  38. ^ "Вехи: новаторский вклад Каллана в электрическую науку и технологию, 1836 г.". Сеть глобальной истории IEEE. IEEE. Получено 26 июля 2011.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка