Cewka indukcyjna

Cewka indukcyjna to bierny element elektroniczny zbudowany ze zwoju drutu owiniętego wokół rdzenia, który może być powietrzny, żelazny albo ferrytowy (ferryt to kruchy materiał wytwarzany z żelaza). Rdzenie wykonane z materiałów żelaznych mogą zwiększać się pola magnetycznego indukowanego przez przepływający prąd nawet do kilkuset razy. Cewkom indukcyjnym nadaje się różne nazwy, w zależności od tego, w jakim celu są wykorzystywane, dlatego można spotkać takie określenia, jak: zwój, dławik, elektromagnes czy solenoid. Na rysunku 8.5 pokazano symbol, jakim oznacza się cewki indukcyjne na schematach ideowych.

Rysunek 8.5. Symbol cewki indukcyjnej

Jeśli przez cewkę płynie prąd, wytwarza on pole magnetyczne wokół drutu. Jeśli zmieni się natężenie prądu (zmniejszy albo zwiększy), to zmieni się także strumień magnetyczny obecny wokół cewki, co wywoła indukcję napięcia na przewodniku. To tzw. napięcie wsteczne powoduje przepływ prądu w kierunku przeciwnym do głównego prądu. Ta właściwość cewek indukcyjnych nazywana jest samoindukcją lub po prostu indukcyjnością.

Cewka indukcyjna - Mierzenie indukcyjności

Jednostką miary indukcyjności, oznaczanej symbolem L, jest henr (od nazwiska Josepha Henry’ego, nowojorczyka, który lubił bawić się magnesami i odkryć zjawisko samoindukcji). Indukcyjność o wartości jednego henra (symbol H) indukuje jeden wolt, gdy natężenie prądu zmienia się w tempie jednego ampera na sekundę. Oczywiście jeden henr to zbyt duża jednostka, aby jej używać na co dzień w konstrukcjach elektronicznych, dlatego najczęściej będziesz posługiwać się milihenrami (mH) — dlatego, że najczęściej spotyka się indukcyjność na poziomie tysięcznych części henra. Spotkasz też mikrohenry, które są milionowymi częściami henra.

Przeciwstawne zmiany prądu

W obwodzie przedstawionym na rysunku 8.6 przyłożono napięcie stałe do rezystora połączonego szeregowo z cewką indukcyjną. Gdyby nie było cewki, to po zamknięciu obwodu od razu zacząłby płynąć prąd stały o natężeniu równym Uwe/R. Ale ponieważ
cewka jest, sytuacja w obwodzie będzie wyglądała inaczej.

Rysunek 8.6. Cewka indukcyjna opóźnia zmiany prądu

Napięcie stałe powoduje przepływ prądu, który indukuje pole magnetyczne wokół zwojów cewki indukcyjnej. Wraz ze wzrostem natężenia prądu (który natychmiast dąży do tego wzrostu) proporcjonalnie zmienia się natężenie pola magnetycznego.
Zmieniające się pole magnetyczne indukuje napięcie wsteczne, które z kolei indukuje prąd w zwojach drutu, płynący w kierunku przeciwnym do kierunku, w jakim płynie prąd wzbudzany przez źródło napięcia. Można powiedzieć, że cewka indukcyjna próbuje
uniemożliwić zbyt szybkie zmienianie się prądu źródłowego, czego efektem jest to, że prąd nie zmienia się natychmiast. Dlatego mówi się, że cewki indukcyjne „przeciwstawiają się zmianom prądu”.

Prąd indukowany w cewce nieznacznie osłabia natężenie rozszerzającego się pola magnetycznego. Kiedy natężenie prądu źródłowego rośnie, pole magnetyczne rozszerza się (ale coraz wolniej) i prąd przeciwstawiający się prądowi źródłowemu jest cały czas indukowany (ale jest coraz słabszy). Cykl powtarza się, aż w końcu ustala się stabilny strumień prądu stałego. Kiedy natężenie prądu stabilizuje się, pole magnetyczne przestaje się zmieniać i cewka przestaje oddziaływać na przepływ prądu w obwodzie.

Ogólny efekt działania cewki indukcyjnej jest taki, że musi minąć pewien czas, zanim prąd przez nią płynący ustabilizuje się na pewnym poziomie (ilość tego czasu zależy od kilku czynników, np. parametrów cewki indukcyjnej i rozmiaru rezystora). Kiedy do tego dochodzi, prąd przepływa bez przeszkód przez cewkę, która zachowuje się wówczas jak zwykły kawałek drutu (nazywany zwarciem), a zatem UL = 0 V i natężenie ustabilizowanego prądu można obliczyć na podstawie napięcia źródłowego i wartości rezystora, korzystając z prawa Ohma (I = Uwe/R).

Jeśli teraz odłączymy źródło napięcia stałego i podłączymy do cewki rezystor, przez krótki czas popłynie prąd, przy czym cewka znowu będzie przeciwstawiać się nagłemu spadkowi napięcia, aż w końcu natężenie prądu spadnie do zera i pole magnetyczne
zniknie.

Potrzebujesz zdobyć uprawnienia SEP? Sprawdź ofertę naszego partnera: SEP uprawnienia

Rozważmy bilans energetyczny — cewka indukcyjna podłączona do źródła prądu stałego przechowuje energię elektryczną w polu magnetycznym. Kiedy napięcie będzie odłączone i podłączony zostanie rezystor, energia zostanie przesłana do rezystora, w którym będzie rozproszona w postaci ciepła. Cewki indukcyjne przechowują energię elektryczną w polu magnetycznym. Prawdziwa cewka indukcyjna (w odróżnieniu od idealnego teoretycznego obiektu) oprócz indukcyjności wykazuje też pewien stopień rezystancji i pojemności, które wynikają z fizycznych właściwości użytych do budowy zwojów i rdzenia materiałów oraz właściwości pól magnetycznych. W związku z tym cewka indukcyjna może przechowywać energię tylko przez krótki czas (w przeciwieństwie do kondensatorów), gdyż jest ona tracona w postaci ciepła.

Aby lepiej zrozumieć działanie cewek indukcyjnych, wyobraź sobie napełnioną wodą rurę, wewnątrz której znajduje się turbina. Kiedy zwiększymy ciśnienie wody, łopaty turbiny stawią opór przepływowi wody i będą wywierać wsteczne ciśnienie na wodę.
Gdy łopaty zaczną się ruszać, ciśnienie wsteczne zmaleje i woda będzie przepływać łatwiej. Jeśli nagle zredukujesz ciśnienie wody do zera, łopaty turbiny będą jeszcze przez chwilę się poruszać i popychać wodę, aż w końcu zatrzymają się i woda przestanie
całkowicie płynąć.

Nie zaprzątaj sobie zbyt długo głowy takimi rzeczami, jak prądy indukowane czy rozszerzające i kurczące się pola magnetyczne. Wystarczy, że zapamiętasz kilka podstawowych faktów dotyczących cewek indukcyjnych.

• Cewki indukcyjne stawiają opór zmianom natężenia prądu.
• Cewki indukcyjne w chwili przyłożenia źródła prądu stałego zachowują się jak obwód otwarty (tzn. początkowo nie przepływa żaden prąd i całość napięcia źródłowego jest tracona na cewce).
• Po pewnym czasie cewka zaczyna zachowywać się jak zwarcie w obwodach prądu stałego — tzn. kiedy zakończą się wszystkie zawirowania związane z polami magnetycznymi, napięcie wynosi zero wolt i cewka przepuszcza całość prądu.

Elektronika dla bystrzaków. Wydanie III Autor: Cathleen Shamieh Wydawnictwo: Septem