Cewka

Cewka – element elektroniczny lub elektryczny składający się z jednego lub kilku zwojów drutu prowadzonego po izolowanym rdzeniu (metalowym lub ferrytowym) lub bez rdzenia. Dzięki zwojowi powstaje pole magnetyczne, które przy zmianie natężenia prądu generuje napięcie indukcyjne – zjawisko to opisują prawo Faradaya oraz zasada Lenza. Cewki są podstawowymi elementami w elektrotechnice, wykorzystywanymi w AC, układach filtrujących, układach zasilania, układach pomiarowych i w wielu urządzeniach przemysłowych.

Budowa i zasada działania

Typowa cewka składa się z następujących części:

Drut – najczęściej miedziany lub aluminiowy, pokryty warstwą izolacyjną (emalia, lakier). Ilość zwojów oraz średnica drutu determinują wartość indukcyjności.
Rdzeń – może być powietrzny, żelazny, ferrytowy lub inny materiał o dużej przenikalności magnetycznej. Rdzeń zwiększa strumień magnetyczny i tym samym wzmacnia inductancję.
Obudowa – izoluje cewkę od otoczenia i zabezpiecza przed przepięciami oraz zwarciami.

Podstawowa zasada działania opiera się na indukcji elektromagnetycznej: gdy natężenie prądu w drucie zmienia się w czasie, zmienia się również magnetyczny strumień przez powierzchnię otoczoną zwojami, co zgodnie z prawem Faradaya wywołuje w cewce siłę elektromotoryczną (SEM) proporcjonalną do tempa zmiany strumienia. Efekt ten opisuje się równaniem:

ε = -L · (dI/dt)

gdzie ε – napięcie indukcyjne (V), L – indukcyjność (H), a I – prąd (A). Znak minus pochodzi z zasady Lenza, która określa, że indukowane napięcie przeciwdziała przyczynie jego powstania.

Rdzeń i jego rodzaje

Dobór rdzenia zależy od zastosowania:

Rdzeń powietrzny – najprostszy, używany w aplikacjach, gdzie wymagana jest niska strata mocy i brak nieliniowości magnetycznych.
Rdzeń ferrytowy – zapewnia wysoką indukcyjność przy niewielkiej masie i niskiej częstotliwości strat, powszechnie stosowany w filtrach i zasilaczach impulsowych.
Rdzeń żelazny (stalowy) – wykorzystywany w transformatorach i silnikach, gdzie istotne jest wzmocnienie pola magnetycznego przy dużych prądach.

Rodzaje cewek

W zależności od konstrukcji i przeznaczenia wyróżnia się liczne typy:

Induktor – podstawowa cewka wykorzystywana w układach filtrujących i jako element magazynujący energię.
Transformator – para cewek połączonych magnetycznie, służąca do konwersji napięć i prądów.
Elektromagnes – cewka z ferromagnetycznym rdzeniem, generująca silne pole magnetyczne przy przepływie prądu.
Cewka pomiarowa (np. w woltomierzu lub mierniku częstotliwości).
Cewka rezonansowa – używana w obwodach LC do wyboru określonych częstotliwości radiowych.

Zastosowania

Cewki znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach:

Zasilacze impulsowe – jako magazyny energii w układach PWM oraz filtry wygładzające.
Układy filtrujące – w połączeniu z kondensatorami tworzą filtry dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe i pasmowoprzepustowe.
Układy pomiarowe – w amperomierzach, woltomierzach oraz w strojeniach radioodbiorników.
Systemy transmisji energii bezprzewodowej – cewki nadawcze i odbiorcze w technologii indukcyjnej łączności.
Urządzenia medyczne – w rezonansie magnetycznym (MRI) oraz w terapiach magnetycznych.

Historia

Pierwsze eksperymenty z cewkami przeprowadził Michael Faraday w 1831 roku, odkrywając zasadę indukcji elektromagnetycznej. W kolejnych dziesięcioleciach cewki były udoskonalane w ramach rozwoju telegrafu i transformatora. W 1942 roku cewki zostały szeroko zastosowane w radiach wojskowych, a po II wojnie światowej stały się nieodłącznym elementem przemysłu elektronicznego.

Wzory i parametry

Podstawowe parametry opisujące cewkę:

Indukcyjność (L) – wyrażana w henrach (H). Dla cewki powietrznej przybliżona wartość:
L ≈ μ₀·N²·A / l
gdzie μ₀ – przenikalność magnetyczna próżni, N – liczba zwojów, A – pole przekroju poprzecznego, l – długość cewki.
Rezystancja (R) – zależna od długości drutu i jego przekroju.
Strata mocy (P) – składa się z strat rezystancyjnych (I²R) oraz strat rdzeniowych (histereza, prądy wirowe).
Częstotliwość rezonansowa (f₀) w układzie LC:
f₀ = 1 / (2π·√(L·C))

Powiązane pojęcia

Warto zapoznać się także z następującymi artykułami: