Budowa cewki

Cewka zbudowana jest z odcinka przewodnika (drutu, najczęściej miedzianego) nawiniętego na karkas, czyli pustą w środku rurkę. Jeśli w karkasie nie ma żadnego wypełnienia, cewkę nazywamy powietrzną. Możesz jednak spotkać się z sytuacją, w której w środek karkasu włożony jest walec wykonany ze specjalnego materiału o właściwościach magnetycznych. Taki walec określamy wówczas mianem rdzenia. Kluczowe parametry cewki, takie jak jej indukcyjność, zależą od wymiarów (średnicy i długości) oraz od liczby zwojów, a także od tego, czy w karkasie znajduje się rdzeń i z jakiego materiału jest on wykonany.

Indukcyjność i samoindukcja

Indukcyjność możemy wytłumaczyć, jako zdolność cewki do przeciwstawiania się zmianom przepływającego przez nią prądu. Mamy tu do czynienia ze swoistym „magazynem energii”: gdy zasilimy cewkę prądem elektrycznym, wówczas wokół jej uzwojeń, tak jak wokół każdego przewodnika, przez który płynie prąd, pojawi się pole magnetyczne. Właśnie to pole jest w stanie zgromadzić energię, aby oddać ją w momencie, gdy wartość przepływającego prądu ulegnie zmianie. Co więcej, gdy podłączymy cewkę do źródła zasilania, to jeszcze zanim wytworzy się pole magnetyczne, będzie ona utrudniała przepływ prądu (a dokładniej: będzie ograniczała zmiany wartości natężenia prądu), początkowo bardzo intensywnie, a później coraz słabiej.

Dlaczego prąd w cewce narasta powoli? Wiąże się to z „przekorną” naturą indukcyjności i zjawiskiem tzw. samoindukcji. Jeśli przez cewkę płynie przez jakiś czas prąd stały o danym natężeniu, zachowuje się ona tak, jakby „zniknęła” z układu. Można przyjąć, że cewka zasilana prądem stałym po załączeniu, kiedy występują tzw. stany nieustalone, zaczyna się zachowywać jak zwykły przewodnik, bez szczególnych właściwości, odróżniających go od innych przewodników w układzie. Natomiast przy próbie wyłączenia zasilania cewki, energia zgromadzona w jej polu magnetycznym próbuje niejako wrócić do układu – cewka generuje wtedy impuls napięcia o wartości na tyle wysokiej, aby możliwe było choć chwilowe podtrzymanie wartości natężenia prądu, który wcześniej przez nią płynął. Oczywiście im większa będzie indukcyjność cewki i im szybciej zmieni się wartość prądu, tym wyższe będzie napięcie tego wygenerowanego impulsu. Dlatego właśnie cewki wykorzystywane są np. w układach generujących wysokie napięcia. Należy jednak pamiętać, że to samo zachowanie cewki jest niezwykle niebezpieczne dla delikatnych układów elektronicznych, dlatego przy sterowaniu elementów o stosunkowo dużej indukcyjności, np. silników czy cewek przekaźników elektromagnetycznych, należy odpowiednio zabezpieczyć stopnie sterujące przed powstającymi impulsami.

Wzór, który pozwala obliczyć chwilowe napięcie powstające w cewce przy wyłączaniu bądź włączaniu przepływu prądu, ma następującą postać:

U= -L*di/dt,

gdzie di – zmiana natężenia prądu [A], która zaszła w czasie oznaczonym dt[s]; L – indukcyjność cewki wyrażona w henrach [H]; U – napięcie samoindukcji [V].

Z tego wzoru widać, że im wyższa jest indukcyjność oraz im szybsza jest zmiana wartości prądu, tym silniejsza będzie odpowiedź cewki. Indukcyjność cewki zależy przede wszystkim od liczby zwojów i jej długości (liczonej jako długość w osi rdzenia czy też karkasu). W związku z tym cewki o małej liczbie zwojów i/lub dużej długości będą miały małą indukcyjność. Indukcyjność cewki rośnie z kolei wraz ze wzrostem pola jej przekroju poprzecznego, a wszystkie te zależności możemy wyrazić wzorem:

L=μ0*(N2*S)/l,

gdzie μ0 – przenikalność magnetyczna próżni; N – liczba zwojów cewki; S – jej pole przekroju poprzecznego [m2]; l – długość cewki [m].

Reaktancja

Mówiliśmy do tej pory o przepływie prądu stałego przez cewkę. Co się jednak stanie, gdy zasilimy ją prądem przemiennym? Cewka będzie wówczas pracowała jako swego rodzaju „rezystor” o oporze zależnym od częstotliwości zmian tegoż napięcia, czy też prądu zasilania. Tę „rezystancję” zależną od częstotliwości nazywamy (dla odróżnienia od klasycznej rezystancji) reaktancją indukcyjną, a jej wartość wynosi:

XL= 2πfL,

gdzie f – częstotliwość [Hz]; L – indukcyjność.

Jeżeli cewkę połączymy z kondensatorem i zasilimy je w odpowiedni sposób, to układ taki będzie „sprzyjał” sygnałom o pewnej określonej częstotliwości, zależnej od pojemności oraz indukcyjności poszczególnych elementów. Zjawisko „faworyzowania” pewnych częstotliwości nazywamy rezonansem, a częstotliwość ta wynosi dokładnie:

f=1/(2π*sqrt(LC)).

Nie będziemy w krótkim artykule na temat cewek zagłębiać się w temat rezonansu. Powiemy jedynie, że jeżeli obwód LC jest w stanie rezonansu, to jego całkowita impedancja (czyli odpowiednik rezystancji dla określonej częstotliwości) albo drastycznie maleje, albo rośnie – w zależności od tego, z jaką konfiguracją układu mamy do czynienia (szeregową lub równoległą). Zjawisko takie jest wykorzystywane zwłaszcza w filtrach dla częstotliwości radiowych, natomiast w niektórych sytuacjach może ono być źródłem niepożądanych oscylacji w układach elektronicznych.

Rodzaje elementów indukcyjnych

Z elementami indukcyjnymi spotykamy się w codziennej praktyce elektronicznej i używamy wielu różnych rodzajów tych elementów. Najbardziej rozpowszechnione są obecnie cewki czy też dławiki, stosowane jako elementy przeciwzakłóceniowe, a także używane w układach przetwarzania napięć stałych (przetwornicach impulsowych). Wykorzystujemy tutaj głównie właściwości cewek związane z reaktancją indukcyjną (przypomnij sobie, że reaktancja indukcyjna rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, w związku z czym zastosowanie cewek w układach zasilania pozwala na filtrowanie wysokoczęstotliwościowych zakłóceń w celu wygładzenia napięcia zasilania). Natomiast zdolność cewek do magazynowania energii w polu magnetycznym jest stosowana zwłaszcza w przetwornicach impulsowych, które pozwalają nam zarówno na zwiększanie, jak i zmniejszanie wartości napięcia stałego, np. w celu dopasowania parametrów układu zasilającego do wymogów zasilanego urządzenia.

Cewki występują w różnych rozmiarach, zróżnicowane są także ich charakterystyki. Największe indukcyjności uzyskuje się w cewkach wyposażonych w ferromagnetyczne rdzenie – i zazwyczaj w układach zasilania stosowane są właśnie cewki o stosunkowo niewielkiej liczbie zwojów, ale za to wykonane z grubego drutu z wykorzystaniem odpowiedniego rdzenia. Cewki o dużej liczbie zwojów (powietrzne lub ze specjalnym rdzeniem) wykorzystywane były jako tak zwane anteny ferrytowe w odbiornikach radiowych sprzed kilkudziesięciu lat. Dzisiaj liczba tych elementów w układach radiowych jest znaczne mniejsza niż dawniej, co wiąże się z zupełnie nowymi technologiami nadawania czy też odbierania sygnałów radiowych. Cewki oczywiście nadal pojawiają się w takich konstrukcjach, ale pod względem rozmiarów nie różnią się już od pozostałych elementów tak wyraźnie, jak miało to miejsce w radioodbiornikach dawnego typu. Dzisiaj na pierwszy rzut oka często trudno je odróżnić od kondensatorów czy rezystorów – zwłaszcza w układach montowanych powierzchniowo (SMD).