W tym artykule Cewka zostanie omówiony z różnych perspektyw, aby przeanalizować jego znaczenie, wpływ i znaczenie w różnych obszarach. Zbadane zostanie jego pochodzenie, ewolucja i konsekwencje, a także jego związek z innymi istotnymi tematami. Dzięki podejściu multidyscyplinarnemu będziemy starali się zrozumieć jego wpływ na obecne społeczeństwo, a także możliwe przyszłe implikacje. Zbadane zostaną także możliwe rozwiązania, rekomendacje i wyzwania związane z Cewka, w celu przedstawienia kompleksowej wizji i refleksji nad jej znaczeniem w naszej obecnej rzeczywistości.
Cewki | |
Typ | |
---|---|
Zasada działania | |
Wprowadzenie na rynek |
Michael Faraday (1831) |
Symbol Symbol cewki, jej oznaczenie oraz prąd i spadek napięcia |
Cewka – część obwodu elektrycznego, zaliczana do elementów biernych. Posiada uzwojenie, czyli zwoje przewodnika nawinięte np. na powierzchnie:
Cewki ze zwojami ułożonymi w linię śrubową (helisę) nazywa się zwojnicami. Oprócz tego wyróżnia się cewki:
Cewki mają różne zastosowania; wytwarzane przez nie pole magnetyczne:
Termin bywa też używany mniej ściśle; przykładowo cewka Tesli to w istocie układ obwodów zawierający kilka cewek.
Dla prądu stałego cewka jest elementem rezystancyjnym o rezystancji przewodnika, z którego jest wykonana. Dla prądu o pulsacji różnej od zera wykazuje inną wartość oporu nazywaną reaktancją. Reaktancja jest tym większa, im większa jest indukcyjność i pulsacja prądu.
Strumień indukcji pola magnetycznego przepływającego przez cewkę opisuje wzór:
Siłę elektromotoryczną indukowaną w cewce wyraża wzór:
Przyjmując, że indukcyjność cewki nie zmienia się, co jest spełnione dla większości obwodów elektrycznych, powyższy wzór upraszcza się do:
gdzie:
Indukująca się w cewce siła elektromotoryczna (napięcie) zależy od jej indukcyjności oraz od zmiany w czasie płynącego przez nią prądu. W obwodach prądu zmiennego sinusoidalnego, w stanie ustalonym napięcie na cewce wyprzedza o 90° prąd płynący w cewce (napięcie i prąd są przesunięte w fazie o ).
Indukcyjność jest podstawowym parametrem elektrycznym opisującym cewkę. Jednostką indukcyjności jest henr . Prąd płynący w obwodzie wytwarza skojarzony z nim strumień magnetyczny. Indukcyjność definiuje się jako stosunek tego strumienia i prądu, który go wytworzył:
Współczynnik zależy od geometrii układu, a więc między innymi od kształtu cewki, liczby zwojów, grubości użytego drutu. Indukcyjność cewki zależy również od przenikalności magnetycznej rdzenia.
Dla prądu stałego odpowiednikiem indukcyjności jest stała cewki:
gdzie:
Podobnie jak oporniki oraz kondensatory, cewki można łączyć.
Przy połączeniu szeregowym cewek przez wszystkie płynie ten sam prąd, lecz na każdej z nich może być różne napięcie. Indukcyjność zastępcza takiego układu dana jest wzorem:
Połączone równolegle cewki można zastąpić jedną o indukcyjności zastępczej danej wzorem:
Powyższe zależności zachodzą pod warunkiem, że pole magnetyczne każdej z cewek nie wnika do pozostałych. W przeciwnym przypadku pojawia się indukcyjność wzajemna, zmieniająca indukcyjności cewek składowych.
Reaktancję cewki wyraża wzór:
gdzie:
Impedancja idealnej cewki jest równa iloczynowi jej reaktancji i jednostki urojonej:
Rzeczywiste cewki wykazują też rezystancję Jednym z istotnych parametrów cewki rzeczywistej jest dobroć cewki określona wzorem:
Jeżeli w chwili natężenie prądu w obwodzie prądu zmiennego wynosi to w ciągu nieskończenie krótkiego czasu następuje zwiększenie natężenia prądu o Wtedy w obwodzie indukowana jest siła elektromotoryczna która (zgodnie z regułą Lenza) przeciwdziała przyrostowi natężenia prądu, a więc skierowana jest przeciwnie do Zgodnie z prawem Faradaya wyraża się ona wzorem
Aby w czasie spowodować przepływ prądu o natężeniu przez cewkę, trzeba wykonać pracę:
Minus oznacza, kierunek prądu jest przeciwny do polaryzacji siły elektromotorycznej. Po podstawieniu wzór ten przyjmuje postać:
Jest to praca wykonana przy zwiększeniu natężenia prądu od wartości do wartości Aby obliczyć pracę zwiększenia natężenia prądu od 0 do należy powyższe równanie wycałkować:
Gdy w zwojnicy płynie prąd o natężeniu wówczas wytwarza ona pole magnetyczne. Energia tego pola równa jest pracy potrzebnej do jego wytworzenia, czyli:
gdzie:
Cewka jest elementem inercyjnym – gromadzi energię w wytwarzanym polu magnetycznym. W połączeniu z kondensatorem tworzy obwód rezonansowy (jeden z fundamentalnych obwodów elektronicznych).
Cewki zasilane prądem stałym, zwane elektromagnesami, są wykorzystywane do wytwarzania pola magnetycznego lub jego kompensacji, na przykład przy rozmagnesowaniu i pomiarach pola magnetycznego.