Введение

Электрический компонент

Электромагнитная катушка – это электрический проводник, такой как проволока, свернутая в спираль (виток или геликс). Электромагнитные катушки используются в электротехнике в приложениях, где электрические токи взаимодействуют с магнитными полями, в устройствах, таких как электродвигатели, генераторы, индукторы, электромагниты, трансформаторы, сенсорные катушки, например, в медицинских устройствах функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) с катушками напряженностью до 3,7 и даже выше Тесла. Либо электрический ток пропускается через проволоку катушки для создания магнитного поля, либо, наоборот, внешнее изменяющееся во времени магнитное поле, проходящее через внутреннюю часть катушки, генерирует электродвижущую силу (ЭДС, напряжение) в проводнике. Ток, протекающий по любому проводнику, создает круговое магнитное поле вокруг проводника в соответствии с законом Ампера. Преимущество использования спиральной формы заключается в увеличении силы магнитного поля, создаваемого заданным током. Магнитные поля, генерируемые отдельными витками проволоки, проходят через центр катушки и складываются (суперпозируются), создавая там сильное поле. Индуцированное напряжение можно увеличить, наматывая проволоку в катушку, поскольку линии поля пересекают цепь несколько раз. Отверстие в центре катушки называется сердечником или магнитной осью. Каждый виток проволоки называется витком. Обмотка, имеющая один отвод в центре своей длины, называется центральным отводом. Катушки могут иметь более одной обмотки, электрически изолированной друг от друга. Когда вокруг общей магнитной оси имеется две или более обмоток, обмотки считаются индуктивно или магнитно связанными. Изменяющийся во времени ток, протекающий через одну обмотку, создает изменяющееся во времени магнитное поле, которое проходит через другую обмотку, индуцируя в ней изменяющееся во времени напряжение. Это называется трансформатором. Обмотка, к которой прикладывается ток, создающий магнитное поле, называется первичной обмоткой. Другие обмотки называются вторичными обмотками.

Магнитное ядро

Многие электромагнитные катушки имеют магнитный сердечник, кусок ферромагнитного материала, например железа, в центре для увеличения магнитного поля. Ток, протекающий через катушку, намагничивает железо, а поле намагниченного материала добавляется к полю, создаваемому проводом. Это называется катушкой с ферромагнитным или железным сердечником. Ферромагнитный сердечник может увеличить магнитное поле и индуктивность катушки в сотни или тысячи раз по сравнению с катушкой без сердечника. Катушка с ферритовым сердечником – это разновидность катушки, сердечник которой изготовлен из феррита, ферримагнитного керамического соединения. Ферритовые катушки имеют меньшие потери в сердечнике на высоких частотах. Катушка, сердечник которой образует замкнутый контур, возможно, с небольшими воздушными зазорами, называется катушкой с замкнутым сердечником. Обеспечивая замкнутый путь для линий магнитного поля, эта геометрия минимизирует магнитное сопротивление и создает самое сильное магнитное поле. Она часто используется в трансформаторах. Распространенной формой катушек с замкнутым сердечником является катушка с тороидальным сердечником, в которой сердечник имеет форму тора или бублика с круглым или прямоугольным сечением. Эта геометрия характеризуется минимальным магнитным потоком рассеяния и минимальным излучением электромагнитных помех (EMI). Катушка, сердечник которой представляет собой прямой стержень или другую форму, не образующую контур, называется катушкой с открытым сердечником. Она имеет более низкое магнитное поле и индуктивность, чем катушка с замкнутым сердечником, но часто используется для предотвращения магнитного насыщения сердечника. Катушка без ферромагнитного сердечника называется катушкой с воздушным сердечником. Это включает в себя катушки, намотанные на пластиковые или другие немагнитные каркасы, а также катушки, внутри обмоток которых фактически находится пустое воздушное пространство.

Электрические машины

Электрические машины, такие как двигатели и генераторы, имеют одну или несколько обмоток, которые взаимодействуют с движущимися магнитными полями для преобразования электрической энергии в механическую. Часто машина имеет одну обмотку, через которую проходит большая часть мощности машины (так называемая "арматура"), и вторую обмотку, создающую магнитное поле вращающегося элемента ("обмотка возбуждения"), которая может быть соединена щетками или контактными кольцами с внешним источником электрического тока. В асинхронном двигателе "обмотка возбуждения" ротора получает энергию от медленного относительного движения между вращающейся обмоткой и вращающимся магнитным полем, создаваемым обмоткой статора, что индуцирует необходимый ток возбуждения в роторе.