BUDOWA CEWKI INDUKCYJNEJ.
Cewka indukcyjna nie jest skomplikowanym elementem. Składa się z rdzenia oraz owiniętych wokół niego, izolowanych zwojów przewodnika. Rdzeń cewki może być powietrzny lub wykonany z materiałów magnetycznych. Ważne, aby zwoje owinięte wokół rdzenia były izolowane, dlatego do wykonania cewek stosuje się drut w izolacji lub nawija się je drutem nieizolowanym (na przykład tak zwaną srebrzanką), ale z zachowaniem odpowiedniej szczeliny powietrznej zapewniającej wymaganą separację zwoju od zwoju. Jeśli cewka zostanie nawinięta drutem nieizolowanym zwój przy zwoju, to stanowi zwarcie i owszem, będzie miała pewną indukcyjność, ale na pewno różną od zamierzonej.

Często w praktyce na skutek przekroczenia dopuszczalnej temperatury lub napięcia dochodzi do uszkodzenia cewki indukcyjnej polegającego na zwarciu pomiędzy uzwojeniami na skutek przebicia izolacji drutu nawojowego. Tak uszkodzona cewka indukcyjna wymaga przewinięcia lub wymiany na nową. Często w ten sposób są uszkadzane transformatory sieciowe. Dalsze użytkowanie takiego uszkodzonego transformatora może doprowadzić do jego przegrzania, zwarcia w sieci energetycznej lub wręcz zapalenia się samego transformatora czy zasilanego nim urządzenia.

CZYM JEST CEWKA INDUKCYJNA?
Cewka indukcyjna jest elementem, który przechowuje energię w rdzeniu w postaci pola magnetycznego, a więc dokonuje zamiany energii prądu elektrycznego w energię pola magnetycznego lub odwrotnie. Zmiana prądu płynącego przez uzwojenia powoduje wygenerowanie siły elektromotorycznej o kierunku przeciwdziałającym tej zmianie. Podobnie zmienne pole magnetyczne przenikające rdzeń wywołuje indukowanie się napięcia. Za pomocą wzoru można to wyrazić w sposób następujący:

wzór_1 W tym wzorze:

e - to siła elektromotoryczna (napięcie w woltach) wytwarzane przez cewkę,
dϕ/dt - jest zmianą strumienia magnetycznego w czasie,
di/dt - jest zmianą prądu w czasie,
L - to parametr cewki nazywany indukcyjnością; jego jednostką jest Henr.
Łatwo zauważyć cechę, o której była mowa wcześniej – siła elektromotoryczna e ma zwrot przeciwny, niż napięcie wywołujące przepływ prądu. Przeciwdziała to gwałtownym zmianom prądu płynącego przez cewkę i prowadzi do jednej z jej podstawowych aplikacji – zastosowania cewki indukcyjnej jako tak zwanego dławika.

CEWKA INDUKCYJNA – PODSTAWOWE PARAMETRY
Podstawowymi parametrami cewki są jej indukcyjność oraz częstotliwość rezonansowa. Indukcyjność to inaczej zdolność cewki do przechowywania energii w postaci pola magnetycznego wywoływanego przez przepływ prądu. Indukcyjność mierzy się w Henrach i wyraża jako stosunek chwilowego napięcia do zmiany prądu w czasie.


Wykres prądu i spadku napięcia na zaciskach cewki indukcyjnej Wykresy prądu i spadku napięcia na zaciskach cewki indukcyjnej. Spadek jest największy w momencie załączenia zasilania i maleje z upływam czasu. Ten spadek przeciwdziała wzrostowi prądu i dlatego natężenie prądu jest najmniejsze w momencie załączenia zasilania i rośnie z upływem czasu. Często mówi się, że na cewce napięcie wyprzedza prąd

Na rysunku wyżej pokazano, co dzieje się z napięciem występującym na cewce oraz płynącym przez nią prądem po dołączeniu do jej zacisków źródła napięcia. Czerwona, ciągła linia ilustruje przepływ prądu. Jak można zauważyć, prąd rośnie od momentu dołączenia źródła aż do osiągnięcia wartości maksymalnej określanej przez prawo Ohma, to jest stosunku napięcia występującego na zaciskach do rezystancji cewki. Przerywana linia niebieska ilustruje przebieg spadku napięcia występującego na cewce. Jak można zauważyć, ten spadek jest największy w momencie załączenia, a najmniejszy po tym, jak prąd osiągnie wartość maksymalną. Jest to związane ze wspomnianym faktem, że napięcie indukcji ma kierunek przeciwny niż przyłożone do zacisków.

O częstotliwości rezonansowej cewki napisano przy okazji omawiania parametrów cewki nieidealnej, ponieważ jest ona związana z pojemnością pasożytniczą.

Materiał rdzenia i przenikalność magnetyczna względna
Bardzo ważnym elementem cewki indukcyjnej jest rdzeń. Rdzeń jest charakteryzowany przez rodzaj zastosowanego materiału oraz związaną z tym względną przenikalność magnetyczną. Względną, ponieważ jest ona wyznaczana w stosunku do przenikalności próżni. Jest to liczba bezwymiarowa określana jako stosunek przenikalności magnetycznej (bezwzględnej μ) danego ośrodka do przenikalności magnetycznej próżni μ0.

Zgodnie z definicją przenikalność magnetyczna to wielkość określająca zdolność danego materiału lub ośrodka do zmiany indukcji magnetycznej przy zmianie natężenia pola magnetycznego. Inaczej można też powiedzieć, że przenikalność to własność materiału lub ośrodka określająca jego zdolność koncentracji linii pola magnetycznego.

Przenikalność magnetyczna próżni zgodnie z danymi opublikowanymi w 2002 roku przez Komitet Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) jest skalarem, który oznacza się symbolem μ0 i którego wartość w układzie SI wynosi μ0 = 4·Π·10-7= około 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

Indukcyjność cewki wyraża się wzorem:

wzor_2

We wzorze poszczególne symbole oznaczają:

L - indukcyjność w Henrach,
μ0 - przenikalność magnetyczna próżni,
μ - przenikalność względna materiału rdzenia,
Z - liczba zwojów cewki,
S - pole przekroju poprzecznego cewki,
l - długość cewki.
Przenikalność względna niezanieczyszczonego powietrza niewiele odbiega od przenikalności próżni, więc dla uproszczenia w praktyce inżynierskiej przyjmuje się, że μ = 1 i wzór na indukcyjność cewki powietrznej przyjmuje postać:



Siła pola magnetycznego Na niebiesko narysowano linie sił pola magnetycznego o kierunku zgodnym z regułą Lentza (tzw. „Reguła prawej dłoni”).

Materiały pod względem własności magnetycznych dzielą się na paramagnetyki (stające się magnesami po ich umieszczeniu w polu magnetycznym), ferromagnetyki (ulegające namagnesowaniu w obecności pola magnetycznego) oraz diamagnetyki (osłabiające pole magnetyczne). Rodzaj materiału rdzenia silnie wpływa na parametry cewki. W próżni doskonałej nie ma cząsteczek, które mogłyby wpłynąć na zależność indukcji od natężenia pola magnetycznego. Wobec tego w każdym ośrodku materialnym wzór na indukcyjność będzie zmodyfikowany w związku z występowaniem przenikalności magnetycznej tego ośrodka. Dla próżni przenikalność względna jest równa dokładnie 1. Dla paramagnetyków przenikalność względna jest niewiele większa od 1, dla diamagnetyków jest niewiele mniejsza od jedności – dla obydwu tych typów ośrodków różnica jest na tyle niewielka, że w zastosowaniach technicznych często się ją zaniedbuje przyjmując wartość równą 1.

Podsumujmy ten akapit podając w podpunktach parametry cewki, które najbardziej wpływają na jej indukcyjność:

Indukcyjność cewki rośnie wraz z:

liczbą zwojów,
przenikalnością względną materiału rdzenia,
polem powierzchni cewki,
zmniejszaniem się długości cewki.
Indukcyjność cewki maleje, gdy:

zmniejsza się liczba zwojów,
maleje przenikalność względna materiału rdzenia,
maleje pole powierzchni,
rośnie długość cewki.
Po co używa się rdzeni? Pierwszym powodem jest możliwość przechowywania większej ilości energii przy mniejszej liczbie zwojów, niż ekwiwalent z rdzeniem powietrznym. Drugim jest budowa mechaniczna cewki – rdzeń zapewnia szkielet dla zwojów oraz jej mocowanie w urządzeniu docelowym. Trzeci ważny powód, to koncentracja oraz przewodzenie pola magnetycznego. W pewnych zastosowaniach istotna też będzie możliwość regulacji indukcyjności cewki za pomocą zmiany położenia rdzenia względem zwojów, na przykład przez jego wsuwanie lub wysuwanie.