유도 코일

Induction coil
이 문서에서는 고전압 펄스를 생성하는 변압기의 유형에 대해 설명합니다.보다 일반적인 전기 부품은 인덕터를 참조하십시오.고주파 가열 코일에 대해서는 유도 난방을 참조하십시오.전화기의 장치에 대해서는 하이브리드 코일을 참조하십시오.
1900년경 독일 브레머하벤의 학교에서 사용된 골동품 유도 코일
1920년부터의 구조를 나타내는 유도 코일입니다.

유도 코일 또는 "스파크 코일" (아키텍스: Heinrich Rühmkorff의 이름을 따서 인덕턴튬 또는 Ruhmkorff 코일[1])은 저전압 직류([1][5]DC) 공급 장치에서 고전압 펄스를 생성하는 데 사용되는 전기 변압기의[2][3][4] 일종입니다.2차 코일에 전압을 유도하는 데 필요한 플럭스 변화를 일으키기 위해 1차 코일의 직류는 인터럽터라고 불리는 진동하는 기계 [1]접점에 의해 반복적으로 차단됩니다.1836년 니콜라스 캘런에 의해 발명되었고, 찰스 그래프턴 페이지와 [1]다른 사람들의 추가 연구와 함께, 유도 코일은 변압기의 첫 번째 유형이었다.1880년대부터 1920년대까지 X선 기계,[1][6] 스파크갭 무선 송신기,[1][6] 아크 조명, 돌팔이 의료용 전기 치료기 등에 널리 사용되었습니다.오늘날에는 내연기관 및 물리학 교육에서 유도를 시연하기 위한 점화 코일로 사용되는 것이 유일한 공통 용도다.

구조 및 기능

개략도

유도 코일은 공통 철심(M)[1][7]에 감긴 두 개의 절연 와이어 코일로 구성됩니다.1차 권선(P)이라고 불리는 하나의 코일은 거친 [7]와이어가 상대적으로 적게(수십 또는 수백 개) 회전하여 만들어집니다.다른 코일인 2차 권선(S)은 일반적으로 최대 100만 바퀴의 가는 와이어(최대 40 게이지)[8][1][7]로 구성됩니다.

전류가 1차적으로 흐르면서 자기장을 [1][7]생성한다.공통 코어 때문에, 1차 자기장의 대부분은 2차 [citation needed]권선과 결합합니다.프라이머리는 인덕터로서 동작해, 관련하는 자기장에 에너지를 저장합니다.1차 전류가 갑자기 차단되면 자기장이 급격히 붕괴됩니다.이로 인해 전자기 유도를 통해 2차 단자에서 고전압 펄스가 발생합니다.2차 코일의 회전수가 많기 때문에 2차 전압 펄스는 일반적으로 수천 볼트입니다.이 전압은 종종 전기 스파크를 일으켜 보조 출력 단자를 분리하는 공극(G)을 건너 뛰기에 충분합니다.이러한 이유로 유도 코일은 스파크 코일이라고 불렸다.

유도 코일은 전통적으로 발생할 수 있는 스파크 길이로 특징지어집니다. '4인치'(10cm) 유도 코일은 4인치 스파크를 발생시킬 수 있습니다.음극선 오실로스코프가 개발되기 전까지는 이러한 비대칭 파형의 피크 전압 측정이 가장 신뢰할 수 있었습니다.스파크 길이와 전압 사이의 관계는 광범위한 범위에서 선형입니다.

4 인치 (10 cm) = 110 kV, 8 인치 (20 cm) = 150 kV, 12 인치 (30 cm) = 190 kV, 16 인치 (41 cm) = 230[9] kV

1984년 기준에서 제공한 곡선은 이러한 [10]값과 밀접하게 일치한다.

인터럽터

콘덴서 미포함
콘덴서 포함
출력이 열려 있는 유도 코일의 파형(스파크 없음). i1(파란색)는 코일의 1차 권선의 전류이고2 v(빨간색)는 2차 권선의 전압입니다.공통 축척이 아닙니다. 하단2 도면에서 [dubious – discuss]v가 훨씬 큽니다.

코일을 지속적으로 작동하려면 DC 공급 전류를 반복적으로 연결했다가 분리하여 [1]유도에 필요한 자기장 변화를 만들어야 합니다.이를 위해 유도 코일은 차단기 [1]또는 차단기(A)라고 하는 자기적으로 활성화된 진동 암을 사용하여 1차 코일로 흐르는 전류를 빠르게 연결하고 차단합니다.인터럽터는 코일의 철심 옆 끝에 장착되어 있습니다.전원이 켜지면 1차 코일의 전류가 증가하면 자기장이 증가하고, 자기장이 인터럽터의 철 전기자(A)를 끌어당깁니다.잠시 후 자기 흡인력은 전기자의 스프링력을 극복하고 전기자가 움직이기 시작한다.전기자가 충분히 멀리 이동하면 1차 회로의 한 쌍의 접점(K)이 열리고 1차 전류가 차단됩니다.전류를 차단하면 자기장이 붕괴되어 스파크가 발생합니다.또한 접힌 자기장은 전기자를 끌어당기지 않기 때문에 스프링력은 전기자를 초기 위치로 가속시킨다.잠시 후 접점이 다시 연결되고 전류가 다시 자기장을 형성하기 시작합니다.전체 프로세스는 처음부터 시작하여 초당 여러 번 반복됩니다.2차 전압2 v(빨간색, 왼쪽)는 1차 전류1 i(파란색)의 변화율에 대략 비례합니다.

인터럽터가 회로를 '절단'하고 회로를 '폐쇄'하면 2차에서 반대 전위가 유도됩니다.그러나 현재 프라이머리 변경은 인터럽터가 '브레이크'되면 훨씬 더 갑작스럽게 이루어집니다.접점이 닫히면 공급 전압이 코일의 인덕턴스를 통해 전류를 강제하는 기능이 제한적이기 때문에 1차에서 전류가 천천히 증가합니다.반대로 인터럽터 접점이 열리면 전류가 갑자기 0으로 떨어집니다.따라서 '브레이크' 시 2차에서 유도되는 전압의 펄스는 '닫힘' 시 유도되는 펄스보다 훨씬 큽니다. 코일의 고전압 출력을 생성하는 것은 '브레이크'입니다.

콘덴서

차단 시 인터럽터 접점에 아크가 형성되어 아크가 자기장에 저장된 에너지를 소비하고 출력 전압을 낮추며 [11]접점을 손상시킵니다.이를 방지하기 위해 0.5~15μF의 담금질 캐패시터(C)가 1차 코일에 걸쳐 연결되어 차단 후 전압 상승을 늦춥니다.캐패시터와 1차 권선은 함께 조정된 회로를 형성하므로 차단 시 감쇠된 정현파 전류가 1차에서 흐르고 마찬가지로 2차에서도 감쇠된 파형을 유도합니다.그 결과 고전압 출력은 일련의 감쇠파(왼쪽)[citation needed]로 구성됩니다.

시공내역

코일에 발생하는 고전압이 2차 와이어 간의 얇은 절연 및 아크를 파괴하는 것을 방지하기 위해 2차 코일은 전압차가 큰 와이어가 서로 이웃하는 것을 피하기 위해 특수구조를 사용한다.널리 사용되는 기술 중 하나는 2차 코일을 여러 개의 납작한 팬케이크 모양의 부분("파이"라고 함)으로 감아 [12][1]직렬로 연결합니다.

1차 코일은 먼저 철심에 감기고 두꺼운 종이 또는 고무 [1]코팅으로 2차 코어와 절연됩니다.그런 다음 각 2차 서브코일을 옆에 있는 코일에 연결하고 철심 위로 미끄러져 왁스칠된 골판지 디스크로 인접한 코일로부터 절연합니다.각 서브코일에서 발생하는 전압은 서브코일 [1]내의 와이어 사이를 이동할 수 있을 정도로 크지 않습니다.큰 전압은 직렬로 많은 서브코일에 걸쳐서만 발생하며, 이 서브코일은 아크 오버를 하기에는 너무 넓게 분리되어 있습니다.코일 전체를 최종 절연 코팅하기 위해 녹은 파라핀 왁스 또는 로진에 담근 후 내부에 기포가 남지 않도록 공기를 배출하고 파라핀이 굳어지도록 하여 코일 전체를 왁스로 감싼다.

에너지 손실을 일으키는 와전류를 방지하기 위해 철심은 병렬 철선 다발로 만들어지며, 전기적으로 [1]절연하기 위해 셸락으로 개별적으로 코팅됩니다.자기축에 수직인 코어에서 루프 형태로 흐르는 와전류는 절연층에 의해 차단됩니다.절연된 1차 코일의 양끝은 2차 코일의 양끝에서 몇 인치 돌출되어 있어 2차 코일에서 1차 또는 코어로의 아크를 방지할 수 있었습니다.

수은 및 전해 차단제

(왼쪽) 고출력 코일에 사용되는 3전극 베넬트 인터럽터.(오른쪽) 수은 터빈 차단기모터는 톱니바퀴를 돌리면서 수은을 치아에 뿌린다.휠을 위아래로 조정하여 1차 전류의 듀티 사이클을 변경할 수 있습니다.

교육 목적으로 사용되는 최신 유도 코일은 모두 위에서 설명한 진동 암 '망치'형 인터럽터를 사용하지만, 20세기 초에 스파크 갭 무선 송신기와 X선 기계에 사용된 대형 유도 코일에 전원을 공급하기에는 불충분했습니다.강력한 코일에서는 높은 1차 전류가 인터럽터 접점에 아크를 생성하여 [1]접점을 빠르게 파괴합니다.또한 각 "브레이크"는 코일로부터 전압의 펄스를 생성하므로 초당 브레이크 수가 많을수록 출력도 커집니다.해머 인터럽터는 초당 200회 이상의 인터럽트 속도를 낼 수 없었으며 강력한 코일에 사용되는 인터럽트는 초당 20 - 40회로 제한되었습니다.

따라서 방해기 개선에 많은 연구가 진행되었으며, 8인치 [13]스파크 이하의 작은 코일에만 해머 차단기를 사용하는 등 고출력 코일에 개선된 설계가 사용되었습니다.Léon Foucault와 다른 사람들은 [1]수은 용기에 담그고 나오는 진동 바늘로 구성된 인터럽터를 개발했습니다.수은은 아크를 빠르게 꺼트려 더 빠른 전환을 야기하는 영혼 층으로 덮여 있었다.이러한 전류는 종종 별도의 전자석 또는 [1]모터에 의해 구동되어 1차 전류와 별도로 중단률과 "드웰" 시간을 조정할 수 있었습니다.

가장 큰 코일은 전해 또는 수은 터빈 차단기를 [1]사용했습니다.1899년 Arthur Wehnelt에 의해 발명된 전해 또는 Wehnelt 인터럽터는 회로 반대쪽이 납판 [1][14]음극에 연결된 희황산 전해액에 담근 짧은 백금 바늘 양극으로 구성되었습니다.1차 전류가 통과할 때 바늘에 수소 기포가 형성되어 회로가 반복적으로 끊어졌습니다.그 결과 1차 전류가 초당 최대 2000회의 중단 속도로 랜덤하게 끊어졌습니다.그들은 X선 튜브에 전력을 공급하기 위해 선호되었다.그들은 많은 열을 발생시켰고 이로 인해 수소가 폭발할 수 있었다.수은 터빈 차단기에는 액체 수은을 회전하는 금속 접점에 분사하는 [1]원심 펌프가 있었습니다.이들은 초당 최대 10,000회의 인터럽트 속도를 달성할 수 있으며 상용 무선 [1][14]방송국에서 가장 널리 사용되는 인터럽터 유형이었다.

역사

윌리엄 스터전, 1837년 초기 코일톱니형 아연 인터럽터 휠(D)을 손으로 돌렸습니다.와전류를 방지하기 위해 철선(F)의 분할된 코어를 사용한 최초의 코일.
찰스 G 페이지의 1838년 초기 코일은 최초의 자동 차단기 중 하나를 가지고 있었다.그 컵은 수은으로 가득 차 있었다.자기장이 암(왼쪽)의 철편을 끌어당겨 와이어를 컵에서 들어 올려 1차 회로를 차단했습니다.
1850년대 하인리히 럼코프의 인덕션 코일.해머 인터럽터(오른쪽) 외에 Fizeau(왼쪽)의 수은 인터럽터가 있어 체류 시간을 변경할 수 있었다.
1877년 알프레드 앱스가 윌리엄 스포티스우드를 위해 만든 역사상 가장 큰 코일 중 하나입니다.280마일의 전선으로 감으면 약 100만 볼트에 해당하는 42인치(106cm)의 스파크가 발생할 수 있습니다.30쿼트 크기의 액체 배터리와 별도의 차단기로 구동됩니다(표시되지 않음).
최초의 유도 코일은 1836년 니콜라스 캘런이 만들었다.

유도 코일은 전기 변압기의 첫 번째 유형이었다.1836년과 1860년대 사이의 개발 동안, 주로 시행착오를 통해, 연구원들은 회전 전압과 출력 전압 사이의 비례성, 그리고 와전류 손실을 줄이기 위해 "분할된" 철심을 사용하는 것과 같은 모든 변압기를 지배하는 많은 원리들을 발견했습니다.

마이클 패러데이는 1831년에 유도의 원리, 패러데이의 유도 법칙을 발견했고 와이어 [15]코일 사이의 유도에 대한 첫 번째 실험을 했다.유도 코일은 1836년 미국[16][17] 의사 찰스 그래프턴 페이지에 의해 발명되었고 아일랜드 과학자이자 가톨릭 신부 니콜라스 캘런이 같은 해 메이누스의[1][18][19][20][21] 세인트 패트릭 칼리지에서 독립적으로 발명했으며 윌리엄 스터전에 [1]의해 개선되었다.조지 헨리 바호프너와[1] 스터전(1837)은 독립적으로 철선의 "분할된" 철심이 전력 손실을 [22]줄인다는 것을 발견했습니다.초기 코일에는 캘런과 앙투안 필리베르 마송(1837)[23][24][25]에 의해 발명된 수동 크랭킹 인터럽터가 있었다.자동 '망치' 인터럽터는 교수에 의해 발명되었다.아일랜드 [16][26]더블린의 제임스 윌리엄 맥갈리(1838), 요한 필립 바그너(1839), 크리스티안 에른스트 니프(1847).[1][27][28]Hippolyte Fizau(1853)는 담금질 [1][29][30]콘덴서의 사용을 도입했습니다.하인리히 Ruhmkorff는 [1]5~6마일(10km)의 와이어를 사용하여 2차 코일의 길이를 크게 늘림으로써 더 높은 전압을 발생시켰고 최대 16인치까지 불꽃을 발생시켰다.1850년대 초, 미국의 발명가 에드워드 새뮤얼 리치(Edward Samuel Ritchie)는 [31][32]단열재를 개선하기 위해 분할된 2차 구조를 도입했습니다.조나단 내쉬 헤더는 유도 [33][34][35][36][37]코일을 연구했습니다.Callan의 유도 코일은 [38]2006년에 IEEE 마일스톤으로 지정되었습니다.

유도 코일은 초기 가스 방전 및 크룩스 튜브 및 기타 고전압 연구를 위해 고전압을 제공하기 위해 사용되었습니다.이들은 또한 오락(예를 들어 가이스러 튜브를 밝히는 것)을 제공하고 돌팔이 약에 사용되는 작은 "충격 코일", 테슬라 코일 및 보라색 광선 장치를 구동하는 데 사용되었습니다.그것들은 헤르츠가 전자파의 존재를 증명하기 위해 사용했는데, 제임스 클럭 맥스웰과 로지와 마르코니가 전파에 대한 첫 번째 연구에서 예측한 대로였다.이들의 가장 큰 산업적 용도는 아마도 초기 무선 전신 스파크 갭 무선 송신기와 1890년대부터 1920년대까지 초기 냉음극 X선 튜브에 전력을 공급하기 위한 것이었을 것이며, 그 후 AC 변압기와 진공 튜브에 의해 이러한 두 가지 용도로 대체되었다.그러나 현재 차단기 접점이 솔리드 스테이트 스위치로 대체되었지만, 가장 큰 용도는 내연기관의 점화 시스템에서 점화 코일 또는 스파크 코일로 사용되었습니다.카메라와 스트로보 조명에 사용되는 플래시 튜브를 작동시키는 데 더 작은 버전이 사용됩니다.

1915년 벽면 장착형 X선 장치에 전원을 공급하는 유도 코일(상부)과 전해 차단기(하단)
1910년경 포드 모델 T와 같은 초기 자동차에 사용된 진동자 점화 코일
유도 코일에 가장 많이 사용되는 최신 자동차 점화 코일

「 」를 참조해 주세요.

각주

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추가 정보

외부 링크