Cívka

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox - součástka Cívka (také induktor) je pasivní elektrotechnická součástka, jejíž charakteristickou vlastností je indukčnost. Cívka je typicky tvořena vodičem navinutým na izolační tělísko (kostru), které může být opatřeno jádrem z feromagnetického materiálu. Základní funkcí cívky je schopnost vytvářet ve svém okolí magnetické pole při průchodu elektrického proudu a naopak, indukovat elektrické napětí při změně magnetického pole, ve kterém se nachází. Tato vlastnost, známá jako elektromagnetická indukce, umožňuje cívce uchovávat energii v magnetickém poli.

Cívka se v elektrickém obvodu projevuje jako "setrvačník" pro elektrický proud – brání jeho prudkým změnám. Ve stejnosměrných obvodech se po ustálení chová jako vodič s malým odporem, zatímco ve střídavých obvodech klade proudu odpor zvaný reaktance, jehož velikost roste s frekvencí proudu. Díky těmto vlastnostem je cívka klíčovou součástí mnoha zařízení, jako jsou transformátory, elektromotory, filtry, rezonanční obvody a elektromagnety.

📜 Historie

Historie cívky je neoddělitelně spjata s objevy v oblasti elektřiny a magnetismu v 19. století.

🏛️ První objevy

Zásadní průlom přišel v roce 1820, kdy dánský fyzik Hans Christian Ørsted během přednášky náhodou zjistil, že vodič, kterým protéká elektrický proud, vychyluje střelku kompasu. Tím poprvé prokázal přímou souvislost mezi elektřinou a magnetismem. Tento objev inspiroval vědce po celé Evropě, včetně André-Marie Ampèra, který krátce nato matematicky formuloval vztah mezi proudem a magnetickým polem, které vytváří. Ampère také zjistil, že svinutím vodiče do tvaru cívky (solenoidu) lze magnetické pole výrazně zesílit.

⚡ Objev elektromagnetické indukce

Opačný jev, tedy vytvoření elektrického proudu pomocí magnetického pole, objevil nezávisle na sobě Michael Faraday v Anglii v roce 1831 a Joseph Henry ve Spojených státech přibližně ve stejné době. Faraday zjistil, že měnící se magnetické pole v blízkosti cívky indukuje v jejím obvodu elektrické napětí (a tedy i proud). Tento jev nazval elektromagnetická indukce a stal se základním principem fungování generátorů, transformátorů a samotných cívek.

Joseph Henry se hlouběji zabýval jevem tzv. vlastní indukce, kdy cívka indukuje napětí sama v sobě při změně proudu, který jí protéká. Právě na jeho počest byla později pojmenována základní jednotka indukčnosti – henry. Práce těchto a dalších vědců, jako byl James Clerk Maxwell, který sjednotil poznatky o elektřině a magnetismu do ucelené teorie, položila základy moderní elektrotechniky, v níž cívky hrají nezastupitelnou roli.

⚙️ Princip a vlastnosti

Základní funkcí cívky je její schopnost interagovat s magnetickým polem. Tato interakce je popsána veličinou zvanou indukčnost.

🧲 Magnetické pole cívky

Když cívkou protéká elektrický proud, vytváří se kolem ní a uvnitř ní magnetické pole. Tvar a síla tohoto pole závisí na geometrii cívky a velikosti proudu. U jednoduché válcové cívky (solenoidu) je magnetické pole uvnitř téměř homogenní (stejnorodé) a vně je výrazně slabší. Magnetický indukční tok (Φ), který cívka vytváří, je přímo úměrný protékajícímu proudu (I).

$Φ \sim I$

⚡ Indukčnost

Indukčnost (značka L) je fyzikální veličina, která vyjadřuje schopnost cívky vytvářet magnetický indukční tok v závislosti na protékajícím proudu. Je definována jako poměr magnetického toku spřaženého s cívkou a proudu, který tento tok vyvolal.

$L = \frac{Φ}{I}$

Jednotkou indukčnosti je henry (H). Cívka má indukčnost 1 H, pokud proud 1 ampér vytvoří magnetický tok 1 weber. V praxi se často používají menší jednotky jako milihenry (mH) a mikrohenry (μH).

Indukčnost cívky závisí na:

Počtu závitů (N): Indukčnost roste s druhou mocninou počtu závitů ( $L \sim N^{2}$ ).
Geometrii cívky: Délka, průměr a tvar vinutí.
Materiálu jádra: Vložením jádra z feromagnetického materiálu (např. železo, ferit) do cívky se její indukčnost mnohonásobně zvýší. To je dáno vysokou permeabilitou (μ) těchto materiálů.

🔌 Vlastní indukce a indukované napětí

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce se v cívce při jakékoliv změně magnetického toku indukuje elektromotorické napětí (U_i). Protože magnetický tok je vázán na proud, indukuje se napětí i při změně proudu protékajícího cívkou. Tento jev se nazývá vlastní indukce.

Indukované napětí je přímo úměrné rychlosti změny proudu ( $\frac{d I}{d t}$ ):

$U_{i} = - L \frac{d I}{d t}$

Znaménko mínus vyjadřuje Lenzův zákon, který říká, že indukované napětí má vždy takovou polaritu, aby působilo proti změně, která ho vyvolala. Pokud proud cívkou roste, indukované napětí působí proti němu. Pokud proud klesá, indukované napětí se snaží proud udržet. Cívka se tedy chová jako setrvačník pro elektrický proud.

💡 Energie cívky

Cívka uchovává energii v magnetickém poli, které vytváří. Energie (E_L) naakumulovaná v cívce je přímo úměrná její indukčnosti a druhé mocnině protékajícího proudu.

$E_{L} = \frac{1}{2} L I^{2}$

Tato energie se uvolní, když je obvod přerušen. Prudký pokles proudu na nulu vyvolá velmi vysoké napěťové špičky, což je princip využívaný například v zapalovacích cívkách automobilů, ale může to být i nežádoucí jev způsobující poškození jiných součástek.

🧱 Konstrukce a typy cívek

Cívky se vyrábějí v mnoha různých provedeních v závislosti na jejich zamýšleném použití, frekvenčním rozsahu a požadované indukčnosti.

🌬️ Vzduchové cívky

Tyto cívky nemají žádné jádro, vodič je navinut na izolační kostru nebo je samonosný. Jejich výhodou je vysoká linearita (indukčnost nezávisí na proudu) a nízké ztráty při vysokých frekvencích. Nevýhodou je relativně nízká indukčnost, kterou lze dosáhnout. Používají se především ve vysokofrekvenčních obvodech, jako jsou rádiové přijímače a vysílače.

🧲 Cívky s jádrem

Pro dosažení vyšších hodnot indukčnosti se používají jádra z magneticky vodivých materiálů.

Feritové jádro: Ferity jsou keramické materiály s feromagnetickými vlastnostmi. Mají vysoký elektrický odpor, což omezuje vznik vířivých proudů, a proto jsou vhodné pro použití při vyšších frekvencích (desítky kHz až stovky MHz). Mají podobu tyčinek, hrníčkových jader (tvaru písmene E) nebo toroidů.
Železné jádro: Jádra z měkké oceli se používají pro nízké frekvence (např. síťová frekvence 50/60 Hz). Aby se omezily ztráty způsobené vířivými proudy, skládají se z tenkých, vzájemně izolovaných plechů. Typické použití je v transformátorech, tlumivkách a elektromagnetech.
Práškové jádro: Jde o kompromis mezi vzduchovým a feritovým jádrem. Je tvořeno jemnými železnými částečkami spojenými izolačním pojivem. Má menší ztráty než plné železné jádro, ale nižší permeabilitu než ferit.

🍩 Toroidní cívky

Vodič je navinut na jádře ve tvaru prstence (toroidu). Výhodou této konstrukce je, že téměř celé magnetické pole je uzavřeno uvnitř jádra. Tím se minimalizuje vyzařování rušení do okolí a zároveň je cívka méně citlivá na vnější magnetická pole. Používají se v napájecích zdrojích a filtrech.

📊 Chování v obvodech

Chování cívky se zásadně liší v obvodech se stejnosměrným a střídavým proudem.

直流 Stejnosměrný obvod

V obvodu se stejnosměrným proudem se ideální cívka po ustálení proudu chová jako zkrat (vodič s nulovým odporem). Reálná cívka má vždy určitý ohmický odpor daný odporem drátu vinutí. Při zapnutí nebo vypnutí obvodu (při změně proudu) se projeví její indukčnost. V RL obvodu (sériové zapojení rezistoru a cívky) proud po připojení ke zdroji nenaroste skokově, ale exponenciálně s časovou konstantou τ = L/R. Stejně tak po odpojení zdroje proud nezanikne okamžitě, ale exponenciálně klesá.

〰️ Střídavý obvod

V obvodu se střídavým proudem se proud neustále mění, a proto se v cívce neustále indukuje napětí, které působí proti změnám proudu. Cívka tak klade střídavému proudu odpor, který se nazývá indukční reaktance (X_L).

Velikost reaktance je přímo úměrná indukčnosti (L) a frekvenci (f) střídavého proudu:

$X_{L} = ω L = 2 π f L$

kde ω je úhlová frekvence. Z rovnice je patrné, že pro stejnosměrný proud (f=0) je reaktance nulová. S rostoucí frekvencí odpor cívky pro střídavý proud roste.

Další důležitou vlastností je fázový posun. V obvodu s ideální cívkou předbíhá napětí proud o 90° (π/2 radiánů). Celkový odpor cívky ve střídavém obvodu, který zahrnuje jak reaktanci, tak ohmický odpor vinutí, se nazývá impedance.

🛠️ Využití

Díky svým unikátním vlastnostem jsou cívky nepostradatelné v široké škále aplikací:

Transformátory: Dvě nebo více cívek na společném jádře slouží ke změně velikosti střídavého napětí a proudu.
Elektromotory a generátory: Jsou základním prvkem pro přeměnu elektrické energie na mechanickou a naopak.
Filtry a výhybky: V kombinaci s kondenzátory a rezistory (tzv. RLC obvody) se používají k propouštění nebo blokování signálů určitých frekvencí (např. v audio technice, napájecích zdrojích).
Rezonanční obvody: Paralelní nebo sériová kombinace cívky a kondenzátoru (LC obvod) rezonuje na určité frekvenci. Tento princip je základem ladicích obvodů v rádiových přijímačích.
Tlumivky: Cívky používané k potlačení vysokofrekvenčního rušení nebo k vyhlazení pulzujícího stejnosměrného proudu v napájecích zdrojích.
Elektromagnety: Cívky s jádrem používané k vytváření silného magnetického pole pro zvedání břemen, v relé, stykačích nebo elektrických zvoncích.
Zapalovací cívky: Speciální typ transformátoru v zážehových motorech, který generuje vysokonapěťový impuls pro zapálení jiskry ve svíčce.
Senzory: Indukční snímače se používají k bezkontaktní detekci kovových předmětů.
Bezdrátové nabíjení: Přenos energie mezi dvěma cívkami na principu elektromagnetické indukce se využívá pro bezdrátové nabíjení mobilních telefonů a dalších zařízení.

🔬 Pro laiky

Představte si elektrický proud jako vodu tekoucí v potrubí. V tomto přirovnání je cívka jako těžké vodní kolo (turbína) umístěné v proudu.

1. Odpor vůči změně: Když pustíte vodu (zapnete proud), těžké kolo se neroztočí okamžitě. Chvíli trvá, než se dá do pohybu. Klade počáteční odpor a brzdí proud vody. Stejně tak cívka brání náhlému nárůstu elektrického proudu. 2. Udržování pohybu: Jakmile se kolo jednou roztočí (proud se ustálí), už vodě téměř nebrání a točí se setrvačností. Cívka se ve stejnosměrném obvodu po chvíli chová jen jako kus drátu. 3. Setrvačnost: Když se pokusíte vodu náhle zastavit (vypnout proud), roztočené kolo se bude chtít točit dál a potlačí vodu před sebou, čímž vytvoří velký tlakový ráz. Podobně se cívka snaží udržet proud tekoucí a při jeho náhlém přerušení vytvoří velkou napěťovou špičku.

Tato "elektrická setrvačnost" je klíčovou vlastností cívky. Zatímco kondenzátor uchovává energii v elektrickém poli (jako stlačená pružina), cívka ji uchovává v magnetickém poli (jako roztočený setrvačník).

Šablona:Aktualizováno