Indukcijas spole (dzirksteļvanna): darbība, vēsture un pielietojumi

Indukcijas spole jeb "dzirksteļvanna" ir elektriskā transformatora veids. To izmanto augstsprieguma impulsu radīšanai no zemsprieguma līdzstrāvas (DC) avota. Lai sekundārajā spolē radītu sprieguma indukcijai nepieciešamās plūsmas izmaiņas, līdzstrāva primārajā spolē tiek atkārtoti pārtraukta ar vibrējošu mehānisku kontaktu, ko sauc par pārtraucēju.

Indukcijas spole bija pirmais transformatora veids. To plaši izmantoja rentgena aparātos, dzirksteļspraugas radio raidītājos, loka apgaismes ierīcēs un šarlatānu medicīnas ierīcēs no 1880. līdz 1920. gadiem. Mūsdienās to plaši izmanto tikai iekšdedzes dzinēju aizdedzes spolēs un fizikas mācību procesā, lai demonstrētu indukciju.

Kā darbojas indukcijas spole

Indukcijas spole balstās uz elektromagnētiskās indukcijas principu. Galvenās darbības ziedas ir:

• Primārā spole: īsu vijumu skaitu vadi, pa kuru plūst impulsveida līdzstrāva. Primāra strāvas pārtraukšana rada strāvas izmaiņas magnētiskajā laukā.
• Dzelzs kodols: parasti no laminēta dzelzs vai cita feromagnētiska materiāla, tas pastiprina magnētisko plūsmu starp spolēm.
• Sekundārā spole: daudz vijumu (bieži tūkstošos), kas inducē lielu spriegumu, reaģējot uz primārās spoles radītajām plūsmas izmaiņām.
• Pārtraucējs (vibrējošs kontakts): mehānisks elements, kas periodiski pārtrauc primārā tinuma ķēdi, radot ātras plūsmas izmaiņas—tas nodrošina impulsveida darbu.
• Kondensators (kondensators): bieži pieslēgts paralēli pārtraucējam, samazina loka izveidošanos pie kontakta un palielina impulsu strāvas strāvas plūsmu, tādējādi dodot spēcīgāku dzirksteli sekundārā spole.

Tehniskais raksturojums

Indukcijas spoles sekundārais spriegums mēdz sasniegt tūkstošiem līdz simtiem tūkstošu voltu atkarībā no vijumu skaita un konstruktīviem parametriem. Sprieguma pieauguma attiecība ir saistīta ar sekundārā un primārā vijumu attiecību. Tā kā impulsi ir īsi un jaudu nodod sekundārajai spolei limitētā daudzumā, no drošības viedokļa bieži vien strāva ir zema, taču ieelpojot vai tieši saskaroties var rasties bīstamas traumas un izplūdes efekti (ozons, rentgenstari, ugunsbīstamība).

Vēsture īsumā

Pirmajos 19. gadsimta gados indukcijas spoles izstrādāja un attīstīja vairāki pētnieki. Kļūstot plaši pazīstams ir Ničols Kallan (Nicholas Callan), kurš 1836. gadā izstrādāja agrīnu indukcijas spolē līdzīgu ierīci. Vēlāk to ievērojami uzlaboja Heinrihs Rūmkorfs (Heinrich Rühmkorff) 1850. gados, un ierīce kļuva par praktisku augstsprieguma avotu, tāpēc bieži saukta arī par "Ruhmkorff spoli". No 19. gadsimta beigām līdz 20. gadsimta sākumam tā bija centrālais augstsprieguma avots rentgena iekārtām, radio dzirksteļu sūtījumiem un citiem eksperimentiem.

Pielietojumi — pagātne un tagadne

Vēsturiskie pielietojumi:

• Rentgena rentgena caurlaidība un agrīnie rentgenaparāti (augstsprieguma impulsi);
• Dzirksteļspraugas radio raidītājos, kur spole ražoja spēcīgas dzirksteles starp spraugām, kas ģenerēja radiofrekvences viļņus;
• Laboratorijas eksperimentiem un izglītībai, lai demonstrētu elektromagnētismu;
• Loka apgaismes ierīces un citas agrīnas tehnoloģijas, kas izmantoja augstu spriegumu.

Mūsdienu pielietojumi:

• Aizdedzes spoles iekšdedzes dzinējos: mūsdienu aizdedzes sistēmas ir tehniski attīstītas versijas ar elektronisku pārtraukšanu (transistoru vai vadības moduļu palīdzību), taču pamatprincipi—primārā apakšķēde, sekundārais augstspriegums un dzirkstele—paliek līdzīgi;
• Fizikas demonstrācijas un izglītība: viegli saprotams veids, kā rādīt indukciju un dzirksteles;
• Speciāliem eksperimentiem, laboratorijām un retro tehnoloģiju entuziastiem, kuri atjauno vēsturiskos radio raidītājus vai aktīvi pēta agrīno elektrotehniku.

Salīdzinājums ar citām ierīcēm

Indukcijas spole atšķiras no mūsdienu sinhroni darbināmajiem transformatoriem ar to, ka tā bieži izmanto mehānisku pārrāvumu (vai modernākiem risinājumiem—impulsu vadību) un rada impulsus, nevis stabilu maiĢstrāvas izvadīto spriegumu. Tā arī nav rezonanses ierīce kā Teslas spole, kura izmanto sekundārās tinuma rezonansi, lai sasniegtu ļoti augstus spriegumus ar mazu kodola izmantošanu.

Drošība un riski

• Augstsprieguma impulsi var radīt nopietnas elektrotraumas; pat ja strāva ir īslaicīga, tas var izraisīt smagus ievainojumus.
• Darbojoties radušais ozons un skābas garozas (no jonizācijas), kā arī iespēja radīt rentgenstarus, ja tiek izmantoti ļoti augsti spriegumi—visi šie aspekti prasa ventilāciju un piemērotu aizsardzību.
• Vecas ierīces var saturēt noplūdes un bojātus izolatorus; pirms demonstrācijas jāpārbauda izolācija un jālieto zemsprieguma drošības ierīces.

Praktiskas piezīmes

Ja plānojat būvēt vai darbināt indukcijas spoli demonstrāciju nolūkos:

• Izmantojiet kondensatoru, lai samazinātu sprieguma loka veidošanos pie pārtraucēja un palielinātu impulsu kvalitāti;
• Pārliecinieties par pareizu kodola laminēšanu, lai samazinātu virzības zudumus un pārkaršanu;
• Apsveriet elektronisku pārtraukšanas shēmu (transistori vai mikrokontrolleri) mehāniskā pārtraucēja vietā — tas uzlabo uzticamību un drošību;
• Vienmēr ievērojiet drošības pasākumus: izolāciju, attālumus, aizsargbrilles un darbu attiecīgā vidē.

Indukcijas spole ir vienkārša, bet efektīva ierīce augstsprieguma impulsu radīšanai un tai ir nozīmīga vieta elektroenerģētikas vēsturē. Lai gan mūsdienu tehnoloģijas to pamatīgi nomainīja daudzos pielietojumos, principi, ko tā demonstrē, joprojām ir fundamentāli elektromagnētismā un praktiski noderīgi inženierijā un izglītībā.

Diagrammas atslēga

• A = armatūra
• B = akumulators
• C = kondensators
• G = dzirksteles sprauga
• K = pārtraucējs
• M = dzelzs serde
• P = primārā spole
• S = sekundārā spole

Indukcijas spoles shēma

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir indukcijas spole?

J: Kāds ir indukcijas spoles mērķis?

J: Kā indukcijas spole rada spriegumu sekundārajā spolē?

J: Kādam nolūkam agrāk plaši izmantoja indukcijas spoli?

J: Kāds ir vienīgais mūsdienās izplatītākais indukcijas spoles pielietojums?

J: Vai indukcijas spole bija pirmais transformatora veids?

J: Kas ir indukcijas spoles pārtraucējs?

Meklēt pēc burta