Cewka

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Cewka
Ilustracja
Cewki
Typ

bierny

Zasada działania

indukcja elektromagnetyczna

Wprowadzenie na rynek

Michael Faraday (1831)

Symbol
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:

  • walca (cewka cylindryczna),
  • pierścienia (cewka toroidalna),
  • płaską (cewka spiralna lub płaska).

Cewki ze zwojami ułożonymi w linię śrubową (helisę) nazywa się zwojnicami[1]. Oprócz tego wyróżnia się cewki[2]:

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.

Parametry[edytuj | edytuj kod]

Pole magnetyczne cewki o wielu zwojach, przez którą płynie prąd

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:

strumień indukcji magnetycznej,
– indukcyjność cewki,
– natężenie prądu elektrycznego płynącego przez cewkę,
siła elektromotoryczna samoindukcji,
– czas.

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 cewki[edytuj | edytuj kod]

Indukcyjność jest podstawowym parametrem elektrycznym opisującym cewkę. Jednostką indukcyjności jest henr [H]. 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.

Stała cewki[edytuj | edytuj kod]

Dla prądu stałego odpowiednikiem indukcyjności jest stała cewki:

gdzie:

natężenie pola magnetycznego,
natężenie prądu.

Łączenie cewek[edytuj | edytuj kod]

Podobnie jak oporniki oraz kondensatory, cewki można łączyć.

Połączenie szeregowe[edytuj | edytuj kod]

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:

[4]

Połączenie równoległe[edytuj | edytuj kod]

Połączone równolegle cewki można zastąpić jedną o indukcyjności zastępczej danej wzorem:

[5]

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.

Cewka w obwodach prądu sinusoidalnie przemiennego[edytuj | edytuj kod]

Reaktancja[edytuj | edytuj kod]

Reaktancję cewki wyraża wzór:

gdzie:

pulsacja prądu.

Impedancja[edytuj | edytuj kod]

Impedancja idealnej cewki jest równa iloczynowi jej reaktancji i jednostki urojonej:

Dobroć[edytuj | edytuj kod]

Rzeczywiste cewki wykazują też rezystancję Jednym z istotnych parametrów cewki rzeczywistej jest dobroć cewki określona wzorem:

Energia pola magnetycznego[edytuj | edytuj kod]

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:

indukcyjność cewki,
– natężenie prądu płynącego przez cewkę,
– indukcja magnetyczna,
– objętość cewki (obszar, w którym występuje indukcja ).

Działanie i zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Cewki

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.

Rodzaje cewek[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. zwojnica, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2023-01-10].
  2. a b cewka elektryczna, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2023-01-10].
  3. induktor, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2023-01-10].
  4. Osiowski i Szabatin 1992 ↓, s. 101.
  5. Osiowski i Szabatin 1992 ↓, s. 104.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]