Indukčná cievka — definícia, princíp, použitie a história

Indukčná cievka: definícia, princíp, použitie a história – od iskrových transformátorov po moderné zapaľovanie a demonštrácie vo vyučovaní fyziky.

Indukčná cievka alebo "iskrivá cievka" je typ elektrického transformátora. Používa sa na výrobu vysokonapäťových impulzov z nízkonapäťového zdroja jednosmerného prúdu (DC). Na vytvorenie zmien toku potrebných na indukciu napätia v sekundárnej cievke sa jednosmerný prúd v primárnej cievke opakovane prerušuje vibrujúcim mechanickým kontaktom nazývaným prerušovač.

Indukčná cievka bola prvým typom transformátora. Od 80. rokov 19. storočia do 20. rokov 20. storočia sa hojne používala v röntgenových prístrojoch, rádiových vysielačoch s iskrovým lúčom, v oblúkovom osvetlení a v lekárskych prístrojoch pre šarlatánov. Dnes sa bežne používa len v zapaľovacích cievkach spaľovacích motorov a vo vyučovaní fyziky na demonštráciu indukcie.

Princíp fungovania

Indukčná cievka pracuje na základe Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie: zmena magnetického toku v jadre alebo v okolí vinutia vytvára v susednom vinutí napätie. V praktickej realizácii sa primárnym vinutím prepúšťa jednosmerný prúd, ktorý sa periodicky prerušuje. Náhla zmena prúdu (veľké dI/dt) spôsobí prudkú zmenu magnetického poľa a tým sa v sekundárnom vinutí indukuje vysoké napätie úmerné počtu závitov a rýchlosti zmeny toku.

V mnohých zapojeniach sa paralelne k prerušovaču pripája kondenzátor (tzv. tlmiaci alebo kompenzačný kondenzátor). Ten zabraňuje iskreniu na kontaktu prerušovača, znižuje jeho opotrebenie a spolu s primárnou a sekundárnou cievkou vytvára rezonančný obvod, čo môže viesť k ostrejším a energetickejším výbojom.

Konštrukcia

• Primárne vinutie – niekoľko až desiatky hrubších závitov s malým počtom závitov, vedie sa cez ne silnejší prúd.
• Sekundárne vinutie – mnoho tisíc jemných závitov tenkého izolovaného vodiča; jeho veľký počet závitov zvyšuje výsledné napätie.
• Jadro – mäkké železo alebo súbor plechov zvyšuje magnetický tok a účinnosť; niektoré varianty používajú vzduchové jadro (napr. Teslovy cievky majú vzduchové jadro).
• Prerušovač – historicky mechanický kontakt s vibrujúcou kontaktovou pákou; v moderných aplikáciách sa nahrádza elektronickým spínačom (tranzistor, IGBT ap.).
• Izolácia a krytie – vzhľadom na vysoké napätia sa používajú vhodné izolačné materiály a olejové alebo epoxidové výplne.

História a vývoj

Prvé praktické indukčné cievky vznikali v 30. – 40. rokoch 19. storočia pri experimentoch s elektromagnetizmom (prácami Joseph Henryho a ďalších). Nicholas Callan je často uvádzaný ako jeden z konštruktérov prvých funkčných indukčných cievok v 30. rokoch 19. storočia; neskôr Heinrich Ruhmkorff v polovici 19. storočia významne vylepšil konštrukciu a začal vyrábať komerčné kusy (odtial názov "Ruhmkorffova cievka").

V druhej polovici 19. storočia a na začiatku 20. storočia boli indukčné cievky kľúčové pri vývoji prístrojov na generovanie vysokého napätia: v röntgenových prístrojoch, iskrových rádiových vysielačoch s veľkými iskrami a pri oblúkovom osvetlení. Postupne ich vytlačili špecializované vysokonapäťové transformátory a neskôr elektronické meniče, ktoré poskytovali stabilnejšie a bezpečnejšie zdroje vysokého napätia.

Súčasné použitie

• Zapaľovacie cievky – moderné automobily používajú odvodené typy indukčných cievok (s elektronickým riadením) na generovanie iskry v spaľovacích motorech. Tieto cievky sú kompaktné, odolné a riadené elektronicky.
• Vyučovanie a demonstrácie – indukčné cievky sú bežne používané na školské a akademické ukážky princípov elektromagnetizmu a vysokonapäťových javov.
• Laboratórne a pomocné aplikácie – malé cievky slúžia pri skúškach izolácií, pre výrobu iskier v experimentoch a pri zberateľských či reštaurátorských projektoch historických prístrojov.

Rozdiel medzi indukčnou cievkou a Teslovou cievkou

Aj keď oba prístroje produkujú vysoké napätia, princípy sú odlišné. Indukčná cievka je pulzný transformátor – pracuje s prerušovaným jednosmerným prúdom a na výstupe vytvára krátke vysokonapäťové impulzy. Teslova cievka je rezonančný vysokofrekvenčný transformátor so vzduchovým jadrom, ktorý generuje vysokofrekvenčné napäťové signály a často viditeľné dlhé korónové výboje. Niekedy sú tieto termíny mylne zamieňané, preto je dôležité rozlíšiť princíp činnosti.

Bezpečnosť

• Indukčné cievky generujú vysoké napätia, ktoré môžu spôsobiť popáleniny, poruchu srdcového rytmu alebo poškodenie elektroniky. Pri práci dodržiavajte pravidlá bezpečnosti a používajte vhodné ochranné pomôcky.
• Pred manipuláciou so cievkou ju úplne odpojte od zdroja a skratovaním alebo bezpečným vybíjaním kondenzátorov sa uistite, že v obvodoch nie je uložené nebezpečné napätie.
• Vysoké napätia môžu produkovať röntgenové žiarenie len pri veľmi špecifických podmienkach (vysoké napätie a rýchle elektrické oblúky v blízkosti kovových cieľov). Pri konštrukcii a experimentoch postupujte opatrne a nepracujte s prístrojmi vhodnými na produkciu röntgenového žiarenia bez odborného dohľadu.

Praktické poznámky

• Moderné zapaľovacie systémy nahradili mechanické prerušovače elektronickými spínačmi, čo zvýšilo spoľahlivosť a presnosť riadenia iskry.
• Pri obnove starých indukčných cievok treba venovať pozornosť stavu izolácie sekundárneho vinutia a kvalite jadra; často je potrebná repolymérna impregnácia alebo výmena poškodených častí.

Indukčná cievka je jednoduchý, no zároveň veľmi ilustratívny príklad transformácie energie pomocou magnetického poľa — jej história a odtiene použitia ukazujú, ako sa technológie vyvíjajú od mechanických prvkov k modernému elektronickému riadeniu.

Kľúč k diagramu

• A = armatúra
• B = batéria
• C = kondenzátor
• G = Iskrovisko
• K = prerušovač
• M = železné jadro
• P = primárna cievka
• S = sekundárna cievka

Schéma indukčnej cievky

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to indukčná cievka?

Otázka: Na čo slúži indukčná cievka?

Otázka: Ako indukčná cievka vytvára napätie v sekundárnej cievke?

Otázka: Na čo sa v minulosti široko používala indukčná cievka?

Otázka: Aké je jediné bežné použitie indukčnej cievky v súčasnosti?

Otázka: Bola indukčná cievka prvým typom transformátora?

Otázka: Čo je prerušovač v indukčnej cievke?

Hľadajte podľa písmena