Катушка индуктивности

Ин -ДЮК-
тив-ность?..
У меня лично
ЭТО вызывает
некие мясные
ассоциации.
А у Вас?!
Мыр-мыррр...

РАДИОкомпоненты

КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ

Катушка ИНДУКТИВНОСТИ – обозначено в заголовке, чтобы не возникло сомнений насчёт того, о чём пойдёт речь в дальнейшем. Если я озаглавлю просто – КАТУШКА, то найдутся пытливые умы, которые укажут, что это – тоже катушка, но к радиокомпонентам не имеет отношения.
Сокращения: МП – магнитное поле, ЭМИ – электромагнитная индукция, АТС – автоматическая телефонная стация, ЭВМ – электронно-вычислительная машина, ЛЭП – линия электропередачи, ЗЧ – звуковая частота, ЭДС – электродвижущая сила, КК – колебательный контур, ДВ – длинные волны (радиодиапазон и далее - тоже), СВ – средние волны, КВ – короткие волны, УКВ – ультракороткие волны, АС – акустическая система.

ПЛАН:

О гипотезах и не только.
Электрический ток порождает МП:

Эрстед;
Ампер;

МП порождает ток – и снова Фарадей.
И всё это – катушки:

электромагнит;
электромагнитное реле;
трансформаторы.

Главное свойство катушки:

индукция и напряжённость МП;
ЭДС самоиндукции и правило Ленца;
индуктивность соленоида и тороида;
индуктивное сопротивление.

Как можно менять индуктивность:

изменение количества витков;
перемещение стержня внутри катушки;
изменение взаимного расположения частей катушки;
изменение взаимного расположения частей сердечника.

Катушки бывают разные.
«На десерт»:

электродинамические головные телефоны;
электродинамический громкоговоритель;
электродинамический микрофон;
фильтры для АС.

1. О гипотезах и не только
Магнитные явления, как и электрические, были обнаружены людьми довольно давно. Этому способствовало то, что в природе имеются естественные магниты, которыми являлись куски магнитного железняка и осколки железных метеоритов. Существуют (неподтверждённые пока ещё) гипотезы, например, о строителях древних пирамид в Африке и Южной Америке, которые имели компасы и умели ими пользоваться. Иначе никак невозможно объяснить абсолютно точную ориентацию этих колоссальных (даже по современным меркам!) сооружений относительно сторон света.

Можно, конечно, вспомнить Эриха фон Дэникена, палеоконтакты и пришельцев, но это совершенно другая история.
Не следует забывать и о том, что наши далёкие предки и мы живём на планете, которая обладает мощным МП и, следовательно, также является природным магнитом. Другое дело, что МП постоянного магнита не меняется, а МП Земли подвержено изменениям. Всем известно, что величина его индукции не постоянна, да и полюса со временем смещаются. Игорь Прокопенко (РЕН-ТВ) усиленно пропагандирует, например, гипотезу о том, что магнитные полюса Земли вообще поменяются местами, в результатечего грядёт очередная глобальная катастрофа. Но и это тоже совсем другая история.
Предполагается, что древние викинги плавали на своих судёнышках к берегам Северной Америки и ориентировались в океане с помощью примитивных компасов, сделанных из намагниченных кусков железных метеоритов. Египтяне от них не отставали (а, может, наоборот?) и тоже достигали берегов Южной Америки на своих папирусных судёнышках, иначе, откуда там взялись пирамиды, так похожие на египетские?! Или наоборот...
Я к тому привожу здесь эти «гипотетические факты», чтобы вы поняли, что если на РЕН-ТВ (и не только!) сказали о чём-то, что «учёные так считают», то это не есть истина в последней инстанции, а таких учёных может быть один на тысячу. Да и, чаще всего, учёные эти рассуждают о вещах, весьма далёких от их компетенции. Надо ли им верить, каждый решает в соответствии со своим собственным уровнем…

Как бы то ни было, кусок постоянного магнита (на веревочке, например) и МП Земли дали человеку первый практический результат – ориентацию вдали от родных берегов, в открытом море. Было обнаружено, что каждый постоянный магнит имеет ДВА конца –ДВА полюса, которыми магниты взаимодействуют. Это может быть притяжение (разноимённые полюса) или отталкивание (одноимённые полюса). Мало того, если каким-то образом разделить постоянный магнит на два куска (разломать, разрезать, распилить и т.п.), каждый из кусков также будет иметь ДВА полюса! Соприкосновение некоторых металлов с постоянным магнитом намагничивает их. А нагревание постоянных магнитов до вполне определённой температуры - размагничивает.
Долгое время компас оставался главным магнитным прибором для ориентации на нашем земном шарике.

2. Электрический ток порождает МП.
Зимой 1819-1820 года датский учёный Христиан Эрстед на лекции в университете демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую, или, как тогда говорили, гальваническую цепь. На демонстрационном столе находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов (здесь показания свидетелей расходятся — говорят, это был аспирант, а то и вовсе университетский швейцар) случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Однако существует мнение, что Эрстед заметил отклонение стрелки сам.
Теперь это не важно. Классический опыт Эрстеда описан во всех учебниках физики: если нет тока в проводнике, то стрелка компаса указывает направление «север – юг» (а). При замыкании выключателя по проводу течёт ток, и стрелка меняет ориентацию (б). Почему? До включения на неё действовало МП Земли. Значит, после включения вокруг проводника с током возникло МП, которое действует на магнитную стрелку. Оно исчезает, если выключатель разомкнуть. Значит именно электрический ток в проводнике создаёт вокруг этого проводника МП!
Эрстед проделал много разных опытов, пока совершенно точно не убедился в том, что природа воздействия проводника с током на магнитную стрелку НЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ. Он также выяснил, от чего зависит угол отклонения стрелки. Французский физик Андре-Мари Ампер в 1822 году открыл магнитный эффект соленоида (КАТУШКИ), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Им также было предложено усиливать магнитное поле с помощью железного сердечника, помещаемого внутрь соленоида. Вообще же, вклад Ампера в науку об электричестве столь велик, что двумя-тремя фразами не скажешь почти ничего. К примеру, он также изобрёл магнитоэлектрический гальванометр, роль которого в исследованиях электрических явлений громадна, НО речь об электроизмерительных приборах пойдёт в другой статье.

Я не буду отвлекаться на второстепенные (в данном контексте) детали, а ещё раз подчеркну, что именно Ампер:
а) догадался «закрутить» провод так, чтобы получилась именно КАТУШКА или СОЛЕНОИД;
б) понял, что такая КАТУШКА совершенно аналогична постоянному магниту, поскольку имеет два полюса;
в) сообразил, что введение железного сердечника внутрь КАТУШКИ многократно усиливает её МП.

3. МП порождает электрический ток.
В первой половине XIX века научные новости распространялись довольно быстро, а для постановки экспериментов не требовалось громоздкое и слишком дорогостоящее оборудование. Гениальный Майкл Фарадей, о котором я уже неоднократно упоминал в своих статьях, уже широко использовал в своих опытах катушки и даже прототипы трансформаторов.
В ПЕРВОМ (нумерация моя) классическом опыте Фарадея используется катушка и постоянный магнит. При движении магнита относительно катушки или катушки относительно магнита в ней возникает индукционный ток, который фиксирует гальванометр. Катушка и гальванометр образуют замкнутый контур. Если магнит или катушка совершают колебательные движения, ток этот будет ПЕРЕМЕННЫМ!
Величина тока напрямую зависит от количества витков катушки и от скорости движения.
Во ВТОРОМ опыте используются две катушки, причём первая из них заменяет магнит. Движение этой катушки относительно другой, соединённой с гальванометром, также создаётв контуре индукционный ток. Но если, наоборот, двигать катушку, соединённую с гальванометром, относительно неподвижной катушки, заменяющей магнит, эффект останется прежним.
или
Использование общего железного сердечника значительно усиливало эффект.
ТРЕТИЙ опыт подразумевает применение двух неподвижных катушек, а главная роль отводится выключателю (мне не нравится термин «ключ»). Катушки помещаются рядом или одна над другой, чтобы их МП перекрывались. В моменты замыкания/размыкания цепи гальванометр отмечает возникновение индукционного тока. Введение железного стержня резко усиливает эффект.
Фарадей применил в своих опытах то, что мы сейчас называем «тороидальный трансформатор»: на железное кольцо наматываются две катушки, не соединённые друг с другом – это и есть трансформатор Фарадея.
Явление ЭМИ, открытое Фарадеем, как раз и обозначило те свойства катушек, которые в дальнейшем и определили направления их применения в электротехнике и радиотехнике.

4. Всё это – катушки!
4.1. Электромагнит служит для того, чтобы создавать магнитное поле. В абсолютном большинстве случаев – мощное.
Самый простой пример – кран с электромагнитом для погрузки/разгрузки железного лома. МП электромагнита можно включить/выключить, увеличить/уменьшить, и даже сменить полюса (если это нужно).

В современных ускорителях элементарных частиц применяются сверхмощные электромагниты, обмотки которых охлаждаются жидким гелием:

4.2. Электромагнитное реле - тот же электромагнит 1, но с подвижным элементом 2 магнитного сердечника, который замыкает/размыкает электрические контакты 3.
Видов реле так много, а применение их было так широко, что всё упомянуть не представляется возможным.

Я приведу два примера.

ЭВМ первого поколения (конец 40-х – начало 50-х годов ХХ века) были построены на основе электронных ламп и электромагнитных реле, которых в одной ЭВМ насчитывалась не одна тысяча.

До недавнего времени все телефонные станции были релейными.
Десятки тысяч реле заполняли стойки АТС, выполняя функции коммутационных устройств, благодаря которым происходил набор телефонного номера и соединение с абонентом.

4.3. Трансформаторы многообразны и вездесущи. Они выполняют главную свою функцию – преобразование переменного тока и напряжения – в ЛЭП, и тогда они громадны и мощны, а также, например, в блоках питания энергосберегающих ламп, и тогда они миниатюрны.

Любой сетевой адаптер также имеет трансформатор:

В ретро-аппаратуре, например, усилителях ЗЧ используется сразу несколько трансформаторов:

Эти примеры – лишь малая часть областей применения катушек. Не следует думать, что с уходом в прошлое релейных ЭВМ и АТС, и область применения катушек сузилась почти до нуля. Практически в любом радиоэлектронном устройстве вы обязательно их найдёте. Некоторые катушки изготавливаются такими же миниатюрными, как резисторы и конденсаторы, да и маркируются похоже, поэтому найти их на плате устройства может только специалист.

5. Главное свойство катушки.
Главное качество катушки, как известно, это ИНДУКТИВНОСТЬ. Вопрос в том, что это такое и откуда оно берётся.
Если по катушке протекает постоянный ток, то вокруг и внутри неё создаётся постоянное МП. Спектр МП катушки с током прекрасно демонстрируют железные опилки.

Такая катушка абсолютно идентична постоянному магниту, с той лишь разницей, что её МП можно управлять, увеличивая, уменьшая или меняя направление тока.
Но МП – это область пространства, в которой проявляют себя магнитные взаимодействия. Физическая величина, которая характеризует силовое действие МП, называется магнитной индукцией.

Магнитная индукция B катушки с током зависит от силы тока I, количества витков n, длины катушки l и магнитных свойств среды – магнитная постоянная.

Энергетической характеристикой МП является напряжённость:
На саму величину постоянного тока оказывает влияние лишь обычное сопротивление металла, из которого сделан провод катушки:
Справедливости ради надо отметить, что ничто в этом мире (пока) не случается мгновенно: вот его не было, и вот оно возникло (телепортация - это фантастика, чтобы там ни писали некотрые писаки!). Электрический ток, хоть он и постоянный, в моменты замыкания (размыкания) выключателя цепи нарастает от 0 до определённой величины (убывает от определённой величины до 0) за определённый, хотя и небольшой, промежуток времени. Именно в это время МП катушки нарастает (убывает) вместе с изменением тока, и возникают некоторые интересные эффекты, о которых будет сказано далее.
Совсем иная картина будет в случае переменного тока в цепи (см. мою статью «Переменный ток»). Величина силы тока (мгновенное значение) периодически возрастает и убывает. Например, в электросети частота переменного тока составляет 50 Гц, а величина тока меняется от 0 до максимума 100 раз в секунду.
При нарастании тока в катушке появляется (и также возрастает!) её МП, которое создаёт в ней же ЭДС самоиндукции. Естественно, в катушке возникает и ток самоиндукции, направленный против основного тока и препятствующий ему. Вокруг катушки (и в ней) создаётся вторичное МП, препятствующее нарастанию внешнего. При уменьшении тока в цепи всё работает с точностью «до наоборот». Это правило было установлено русским физиком Э.Х. Ленцем и прекрасно может быть продемонстрировано с помощью проводящего кольца и постоянного магнита: при приближении магнита к кольцу, последнее стремится удалиться от него, при удалении магнита, наоборот, кольцо движется за ним. Кольцо должно быть из немагнитного материала, например, алюминиевое. На кольцо с разрезом магнит никак не влияет.
Так вот, в итоге получается, что току в цепи всё время что-то препятствует. Эту величину назвали индуктивным сопротивлением, поскольку оно проявляет себя только в цепях переменного тока. Оно связано с особым свойством катушки – индуктивностью, которая в физике определяется как некий коэффициент пропорциональности L между током I, протекающим в катушке, и магнитным потоком Ф, создаваемым этим током, через поверхность катушки: ЭДС самоиндукции, которая возникает в катушке при протекании по ней тока, выражается через индуктивность:

Если катушка имеет форму соленоида с сердечником внутри, то её индуктивность будет , где все величины те же, а S – площадь поперечного сечения катушки.

Индуктивность тороидальной катушки рассчитывается несколько иначе:
где h, R, r – высота, большой и малый радиусы тора. Следует иметь в виду, что формулы эти позволяют рассчитать индуктивность катушек приблизительно, но довольно точно. Обращаю внимание также на то, что ни в одной формуле нет силы тока! Индуктивность полностью определяется конструкцией катушки и материалами, из которых она изготавливается.

В цепях переменного тока любая катушка обладает индуктивным (его иначе называют «реактивным» - это более общее понятие) сопротивлением: где - это частота переменного тока. Как видно, индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте тока и индуктивности, что полностью (на 99%) определяет областЬ применения катушек индуктивности.
На величину тока влияет как индуктивное сопротивление катушки , так и её активное сопротивление R: , где – полное сопротивление цепи.

6. Как можно менять индуктивность?
Из конструкции катушки-соленоида, например, следуют два способа:
1-ый – это изменение количества витков провода. Такой способ применялся ещё в первых детекторных радиоприёмниках, когда скользящий контакт перемещался по виткам, включая или выключая часть катушки. Соответственно, менялась индуктивность, менялась собственная частота КК (см. мою статью «Колебательный контур»), происходила настройка на частоту передающей станции.
На картинке из старой книжки для радиолюбителей показана конструкция такого самодельного радиоприёмника. Скользящий контакт, изменяющий количество включенных витков катушки – её индуктивность – называется здесь «ползунок».
Такая конструкция катушки очень напоминает реостат, но не путайте! Реостат – это резистор переменного сопротивления.
Изменять количество витков катушки можно и более грубо, если сделать отводы через определённое количество витков, с помощью переключателя или зажима.

Во многих конструкциях входных контуров радиоприёмников более поздних конструкций использовались, например, две катушки на одной магнитной антенне на ДВ и СВ, которые коммутировались переключателем.

2-ой – это изменение индуктивности путём перемещения стержня внутри катушки: чем большая часть стержня введена в катушку, тем больше её индуктивность и наоборот.
В большинстве советских радиол стояли стандартные блоки УКВ-диапазона, в которых настройка производилась именно таким способом.

3-ий способ сейчас не столь очевиден, тем не менее, на заре радиотехники он использовался довольно широко. Он предполагает изменение взаимного расположения одной части катушки относительно другой. Катушка такой конструкции называлась ВАРИОМЕТРОМ и применялась как в самодельных приёмниках, так и в промышленных.

Во время эксплуатации индуктивность вариометров может изменяться, что позволяет успешно перестраивать колебательные контуры. Весь прибор включает в себя две последовательно соединенных катушки. Подвижная катушка вращается внутри неподвижной катушки, тем самым, создавая изменение индуктивности. Фактически, они являются статором и ротором. Если их положение изменится, то поменяется и значение самоиндукции. В результате, индуктивность прибора может измениться в 4-5 раз.

4-ый способ – это изменение относительного положения отдельных частей сердечника, используется в индуктивных датчиках (1 – катушка, 2 – неподвижная часть сердечника, 3 – подвижная часть сердечника).

7. Катушки бывают разные.

Как правило, конструкции катушек индуктивности определяют область их применения.

Например, применение контурных катушек индуктивности вместе с конденсаторами, позволяют получать резонансные контуры. Они отличаются высокой стабильностью, качеством и точностью.
Катушки связи обеспечивают индуктивную связь отдельных цепей и каскадов. Таким образом, становится возможным деление базы и цепей по постоянному току. Здесь не требуется высокой точности, поэтому для таких катушек используется тонкий провод, наматываемый в две небольшие обмотки. Параметры данных приборов определяются в соответствии с индуктивностью и коэффициентом связи.
В виде дросселей используются те приборы, у которых при переменном токе отмечается высокое сопротивление, а при постоянном – очень низкое. Благодаря этому свойству, они используются в радиотехнических устройствах в качестве фильтрующих элементов. При частоте 50-60 Гц для изготовления их сердечников применяется трансформаторная сталь. Если частота имеет более высокое значение, то сердечники изготавливаются из феррита или пермаллоя. Отдельные разновидности дросселей можно наблюдать в виде так называемых бочонков, подавляющих помехи на проводах.
Совместно с резисторами или конденсаторами, катушки задействованы в различных цепях, имеющих частотно-зависимые свойства. Прежде всего, это фильтры, колебательные контуры, цепи обратной связи и прочее. Все виды этих приборов способствуют накоплению энергии, преобразованию уровней напряжения в импульсном стабилизаторе.
При индуктивной связи между собой двух и более катушек, происходит образование трансформатора. Эти приборы могут использоваться, как электромагниты, а также как источник энергии, возбуждающий индуктивно связанную плазму.
Индуктивные катушки успешно используются в радиотехнике, в качестве излучателя и приемника в конструкциях магнитных и кольцевых антенн, работающих с электромагнитными волнами.

8. «На десерт»
8.1. Головные телефоны или, по-простому, наушники со второй половины XIXвека применялись в телефонных аппаратах, а затем – в первых и самых простых радиоприёмниках. Речь идёт об электромагнитных головных телефонах.

Устроен такой наушник довольно просто: под крышкой находится круглая жестяная пластинка – мембрана, под ней – две (или одна) катушки, насаженные на выступающие из дна корпуса пластинки. Это полюсные наконечники постоянного магнита. Если катушки две, то они соединены последовательно, а крайние выводы их припаяны к стерженькам, к которым с наружной стороны при помощи зажимных винтов подключен шнур.
Как работает телефон? Мембрана, создающая звуковые колебания, находится возле полюсных наконечников магнита и опирается на бортики корпуса. Под действием МП магнита она немного прогибается в середине, но не прикасается к полюсным наконечникам магнита. Когда через катушки телефона течет ток, он создает вокруг катушек магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита. Сила этого единого МП, а значит, и сила притяжения мембраны к полюсным наконечникам зависит от направления тока в катушках. При одном направлении тока, когда направления векторов индукции МП катушек и магнита совпадают, и их поля складываются, мембрана сильнее притягивается к полюсам магнита. При другом направлении тока векторы индукции катушек и магнита направлены противоположно, и общее МП становится слабее, чем МП магнита. В этом случае мембрана слабее притягивается полюсными наконечниками и, выпрямляясь, несколько удаляется от них. Если через катушки телефона пропускать переменный ток звуковой частоты, суммарное МП станет меняться (усиливаться/ослабляться) в такт со звуковой частотой, и мембрана также будет колебаться со звуковой частотой и создаст в окружающем пространстве звуковые волны. Кто слышал радиопередачи через такие наушники, тот знает, насколько некачественный звук они создают. Но было время, когда и от этого люди были в восторге!
С первого взгляда может показаться, что постоянный магнит в телефоне не нужен: катушки можно надеть на железную не намагниченную подковку. Но это не так и вот почему. Железная подковка, которая намагничивается только током в катушках, будет притягивать мембрану независимо от того, идет ли ток через катушки в одном направлении или другом. Значит, за один период переменного тока мембрана притянется во время первого полупериода, отойдет от него и еще раз притянется во время второго полупериода, т.е. за один период переменного тока она сделает два колебания. Если, например, частота тока 500 Гц, то мембрана телефона за 1с сделает 500x2=1000 колебаний, и тон звука исказится – будет вдвое выше.
С постоянным же магнитом дело обстоит иначе: при одном полупериоде происходит усиление магнитного поля - уже притянутая мембрана прогнется еще больше; при другом полупериоде поле ослабевает и мембрана, выпрямляясь, отходит дальше от полюсов магнита.

8.2. Динамик, динамическая головка или динамический громкоговоритель (рекомендую прочитать мою статью «Механический способ записи-воспроизведения звука»).
Первым катушку с током, движущуюся поперёк силовых линий, предложил использовать в громкоговорителе Оливер Лодж в 1898 году.
В 1924 году Честер У. Райс и Эдвард У. Келлог запатентовали наиболее близкую к современной конструкцию динамического громкоговорителя.

Принцип действия громкоговорителя основан на движении проводника с током в МП.

Ещё Ампер обнаружил, что если по проводнику протекает ток, и проводник находится в МП, то на проводник со стороны МП будет действовать сила (сила Ампера), направление которой определяется по правилу левой руки. Изменение направления тока приведёт к изменению направления действия силы.
На фото показан раритетный громкоговоритель 1ГД-5 из моего РАДИОмузея (изготовлен VI месяца 1963 года, резонансная частота 120 Гц, в рабочем состоянии).

Современный громкоговоритель устроен так:

звуковая катушка жёстко соединена с подвижным диффузором и находится в зазоре постоянного магнита. Её положение фиксируется с помощью центрирующей шайбы. Диффузор с помощью мягкой кольцевой подвески фиксируется диффузородержателем. Когда по катушке протекает переменный ток звуковой частоты, то она под действием силы Ампера смещается вперёд-назад, заставляя также двигаться диффузор. Он колеблется с частотой звука.

Диффузор создаёт в воздухе продольные волны разряжения-сжатия – звуковые волны, которые и улавливает ухо.

Динамические громкоговорители – наиболее распространённый тип громкоговорителей. Они применяются в различной аппаратуре для воспроизведения звука, например, в различных звуковых колонках и автомобильной акустике.
Кстати, в соответствии с открытием Фарадея (напоминаю: МП порождает электрический ток), ежели диффузор громкоговорителя двигать, например, рукой (конечно, аккуратно), то катушка будет двигаться в МП и в ней возникнет индукционный ток. А если перед диффузором произносить речь, то и катушка, соответственно, выработает индукционный ток звуковой частоты, который можно усилить или передать по проводам куда-нибудь. Надеюсь, из сказанного понятно, что громкоговоритель может работать микрофоном. Эта его «двойственность» широко используется в различных переговорных устройствах.

8.3. Аналогично действию громкоговорителя «наоборот», работает динамический микрофон.
Звуковые волны воздействуют на тонкую подвижную мембрану 4, с которой жёстко связана катушка 3, находящаяся в зазоре 1 постоянного магнита 4. В катушке возникает переменный индукционный ток звуковой частоты, который в дальнейшем усиливается.

8.4. Немного о фильтрах акустических систем.

Дело в том, что один громкоговоритель не может достаточно качественно воспроизвести весь звуковой диапазон от 20 до 20000 Гц (округлённо). Это связано со многими факторами, которые я здесь не рассматриваю. Так вот фильтры и призваны разделять звуковой диапазон на две или три полосы, каждую из которых воспроизводит свой динамик. Естественно, в фильтрах используются катушки индуктивности.

На фото из моего РАДИОмузея: двухполосные акустические системы 15АС-201-1, динамики этой АС, фильтр с двумя катушками индуктивности.

Звуковые колонки (это только часть коллекции) в моём РАДИОмузее.

Благодарю за внимание всех, у кого хватило терпения дочитать до конца.

©SEkorp, моя версия темы, 11 июня 2016г.

НАЗАД на страницу РАДИОкомпоненты