Cewka indukcyjna jest jednym z najprostszych elementów elektronicznych. Weź kawałek drutu. Zwiń go w rulon. To wszystko. Ale nie dajcie się zwieść prostocie. Ta szpula drutu spełnia kilka bardzo interesujących funkcji. Wykorzystuje właściwości magnetyczne do kontrolowania elektryczności. W tym artykule wyjaśniono, czym są cewki indukcyjne i dlaczego są ważne dla Twoich urządzeń.
Podstawy działania cewki indukcyjnej
Kluczową koncepcją są tutaj pola magnetyczne. Kiedy prąd przepływa przez drut, wytwarza pole magnetyczne. Zwinięcie drutu w cewkę koncentruje to pole. Im więcej obrotów dodasz, tym silniejszy będzie efekt. To nie jest tylko teoria. Stanowi to podstawę funkcjonowania wielu obwodów.
Pomyśl o tym, co się stanie, gdy spróbujesz zmienić prąd. Cewka stawia opór. Przeciwdziała zmianom prądu. Ta właściwość nazywa się indukcyjnością. Magazynuje energię w polu magnetycznym, a następnie uwalnia ją w razie potrzeby. To zachowanie sprawia, że cewki są niezbędne do filtrowania sygnałów. Dzięki temu są także kluczem do zasilania urządzeń.
Możesz się zastanawiać, dlaczego używamy cewek, a nie tylko przewodów. Odpowiedź leży w wydajności. Cewki pozwalają na kompaktowe konstrukcje. Oszczędzają miejsce w nowoczesnej elektronice. Dlatego znajdziesz je we wszystkim, od smartfonów po samochody elektryczne.
Cewki są odporne na zmiany prądu poprzez magazynowanie energii w polu magnetycznym.
Ten opór nie jest wadą. To jest funkcja. Inżynierowie używają go do wygładzania zasilaczy. Używają go do blokowania zakłóceń o wysokiej częstotliwości. Używają go do dostrajania częstotliwości radiowych. Bez cewek wiele naszych urządzeń cyfrowych nie działałoby. W kolejnych rozdziałach przyjrzymy się bliżej sposobowi wykorzystania tych komponentów.
Dlaczego latarnia uliczna wie, że samochód czeka?
Prawdopodobnie idziesz chodnikiem lub stoisz w korku, kiedy zauważysz zmianę światła z czerwonego na zielone. To nie magia. To jest fizyka. Mianowicie zachowanie indukcyjności.
Często mówimy o rezystorach i kondensatorach, ale indukcyjność jest cichym koniem pociągowym w projektowaniu obwodów. Nie potrzebujesz laboratorium, żeby zobaczyć to w akcji. Potrzebujesz tylko baterii, żarówki, przełącznika i szpuli drutu owiniętej wokół żelaznego rdzenia. Ten kołowrotek? To jest indukcyjność.
Jeśli usuniesz tę cewkę, będziesz miał zwykłą latarkę. Kliknij przełącznik. Zapala się światło. Tylko. Ale jeśli opuścisz cewkę, zachowanie stanie się dziwne.
Żarówka, która migocze i miga
Kiedy zamkniesz przełącznik w tym konkretnym obwodzie, żarówka nie tylko się zaświeci. Miga jasno, a następnie gaśnie.
Logika podpowiada, że coś takiego nie powinno mieć miejsca. Żarówka to rezystor. Drut w cewce jest po prostu miedziany i ma bardzo niską rezystancję. Prąd musi ominąć żarówkę i przepłynąć przez cewkę, pozostawiając żarówkę przyćmioną lub ciemną.
Zamiast tego żarówka na początku pali się jasno i gorąco. Potem zanika.
Otwórz przełącznik, a dzieje się odwrotnie. Żarówka ponownie miga jasno, po czym szybko gaśnie.
To nie jest usterka. Ta indukcyjność robi dokładnie to, do czego została zaprojektowana: przechowuje energię w polu magnetycznym i przeciwstawia się zmianom prądu.
Pomyśl o wodzie. Wyobraź sobie wąski kanał, w którym zanurzone jest ciężkie koło wodne. Woda jest spokojna. Próbujesz przepchnąć wodę przez kanał. Koło stawia opór. Woda potrzebuje czasu, aby zakręcić kołem. Gdy zacznie się obracać, woda przepływa swobodnie.
Teraz spróbuj zatrzymać wodę. Obracające się koło nie zatrzymuje się natychmiast. Powoduje, że woda porusza się jeszcze przez kilka sekund, stopniowo zwalniając.
Indukcyjność robi to samo z elektronami. Opiera się początkowi przepływu. Opiera się zatrzymaniu przepływu.
Jak mierzona jest indukcyjność
Siła tego oporu nazywa się indukcyjnością. Jest mierzona w henry.
Co sprawia, że indukcyjność jest silniejsza? Cztery rzeczy:
- Liczba zwojów : Więcej zwojów oznacza większą indukcyjność.
- Materiał rdzenia : Rdzenie żelazne znacznie zwiększają indukcyjność w porównaniu z powietrzem.
- Powierzchnia przekroju poprzecznego : Szersza cewka utrzymuje większe pole.
- Długość : Krótsza, gęstsza cewka zwiększa indukcyjność.
Wzór na obliczenie henra jest złożony i obejmuje pi, liczbę zwojów, powierzchnię cewki i przepuszczalność rdzenia (mu). Powietrze ma przepuszczalność 1. Stal może wynosić 2000. Dlatego umieszczenie żelaza w cewce robi ogromną różnicę.
Wykrywanie samochodów za pomocą pól magnetycznych
Ta właściwość pozwala nam wykrywać obiekty. Weź szpulę drutu o średnicy około sześciu stóp z pięcioma lub sześcioma zwojami. Zakop go w bruździe na drodze. Podłącz go do miernika indukcyjności.
Miernik pokazuje wartość bazową.
Teraz zaparkuj samochód nad szpulą. Stalowe nadwozie samochodu wchodzi w pole magnetyczne. Działa jak nowy rdzeń. Indukcyjność gwałtownie wzrasta.
Czujnik zauważa zmianę. Wie, że jest tam samochód. Sygnalizacja świetlna zmienia kolor na zielony.
Tak działają detektory pętli. Wykorzystują czułość indukcyjności pól magnetycznych do wykrywania obiektów z metali ciężkich. Bez tego skrzyżowania działałyby według liczników czasu, a nie ruchu.
Tworzenie oscylatorów
Indukcyjność nie służy tylko do wykrywania. Konieczne jest utworzenie oscylatorów. W połączeniu z kondensatorami tworzą obwody generujące stabilne częstotliwości. Jest sercem radioodbiorników, zegarów i generatorów sygnału.
Zrozumienie indukcyjności wyjaśnia, dlaczego obwody zachowują się tak, a nie inaczej. To wyjaśnia, dlaczego żarówka może migotać po włączeniu przełącznika. To wyjaśnia, skąd sygnalizacja świetlna wie, że czekasz.
Jest to prosta cewka z drutu. Ale ona gromadzi energię. Ona opiera się zmianom. I kształtuje otaczający nas elektryczny świat.
