Bobine

Variaţia cîmpului magnetic din jurul unui conductor, creează în acest conductor o f.e.m. indusă. Dacă printr-un conductor trece un curent care îşi schimbă valoarea, cîmpul magnetic din jurul lui, se va schimba şi el, iar în conductor se va induce o f.e.m. Aşadar, f.e.m. indusă se obţine în acelaşi conductor în care se produc variaţiile curentului. Acest fenomen poartă denumirea de inducţie proprie. Conform regulei lui Lenţ, f.e.m. indusă acţionează totdeauna în sens contrar curentului primar care o induce. Această regulă rămîne valabilă şi pentru fenomenul de inducţie proprie. De exemplu, la închiderea curentului apare un curent şi ia naştere un cîmp magnetic, care induce în conductor o f.e.m. de inducţie proprie, cu sens opus curentului şi care tinde să împiedice creşterea acestuia. Dacă nu ar exista fenomenul de inducţie proprie la închidere, curentul ar ajunge instantaneu la o valoare care poate fi determinată după tensiunea aplicată şi rezistenţa circuitului, însă datorită inducţiei proprii se obţine o creştere progresivă a curentului (fig. 33). Bineînţeles, timpul în care curentul învinge opoziţia f.e.m. de inducţie proprie, repre-zintă fracţiuni mici dintr-o secundă, dar în multe cazuri o asemenea creştere progresivă a curentului are o importanţă mare.

Cînd acţiunea tensiunii aplicate încetează, în circuit se observă un fenomen invers. Dacă nu ar fi existat inducţia proprie, curentul ar fi încetat instantaneu. Dar, cîmpul magnetic dispărînd, liniile lui de forţă străbat conductorul şi induc în el o f.e.m. de inducţie proprie, care potrivit legii lui Lenţ, are un sens care coincide cu curentul. Acum, f.e.m. de inducţie proprie tinde să prelungească existenţa curentului şi deaceea curentul nu încetează dintr-odată, ci progresiv.

Fenomenul inducţiei proprii se opune oricărei variaţii a curentului din circuit. Cînd curentul creşte, f.e.m. de inducţie proprie încetineşte, frînează şi întîrzie această creştere. Cînd, însă, curentul descreşte, f.e.m. de inducţie proprie întîrzie această scădere.

Aşadar, f.e.m. de inducţie proprie atenuează totdeauna variaţiile curentului. In această privinţă fenomenul inducţiei proprii ne aminteşte foarte mult de fenomenul inerţiei, care se observă la variaţia vitezei unei mişcări mecanice.

După cum se ştie, energia curentului continuu se cheltuieşte prin încălzirea conductorului. Cînd curentul apare însă, înafară de consumul de energie pentru încălzirea conductorului, mai intervine şi o alta cheltuială de energie pentru crearea cîmpului mag-netic, în care se acumulează o anumită cantitate de energie. Cînd curentul dispare, această energie revine din cîmpul magnetic în conductor şi creează în circuit un curent indus, care continuă după ce curentul principal a încetat.

Conductorul rectiliniu are un flux magnetic mic şi deaceea, la el fenomenul de inducţie proprie se manifestă relativ puţin. Inducţia proprie se manifestă mult mai puternic la o bobină. Cu cît există mai multe spire şi cu cît diametrul bobinei este mai mare, cu atît fenomenul de inducţie proprie este mai puternic. Introducînd în bobină un miez din material magnetic, fluxul magnetic se va mări de mai multe ori, iar fenomenul de inducţie proprie va deveni şi el mult mai puternic.

In toţi conductorii, fenomenul de inducţie proprie este caracterizat prin coeficientul de inducţie proprie sau inductanţă. Această mărime se notează cu litera L. Deoarece fenomenul de inducţie proprie constă în apariţia f.e.m. induse în conductor, la variaţia curentului în acesta, inductanţa caracterizează tocmai valoarea f.e.m. de inducţie proprie în funcţie de variaţiile curentului. Unitatea inductanţei se numeşte henry şi se notează prescurtat cu H.

Un henry este inductanţa conductorului în care se obţine o f.e.m. de inducţie proprie de 1 V, la o variaţie uniformă a curentului de 1 A pe secundă. Dacă într-o bobină oarecare, la o variaţie uniformă a curentului de 1 A într-o secundă a apărut o f.e.m. de inducţie proprie de 40 V, inductanţa acestei bobine este de 40 H. Adesea se folosesc unităţi mult mai mici ale inductanţei şi anume milihenry (mH) şi microhenry (uH), egale respectiv cu 0,001 H şi 0,000 001 H.

Inductanţa bobinei este cu atît mai mare, cu cît ea are un diametru mai mare, cu atît are o lungime mai mică şi cu cît are mai multe spire. Inductanţa este proporţională cu patra tul numărului spirelor. Dacă vom mări numărul spirelor de 2, 3, 4 ori, inductanţa va creşte corespunzător, de 4, 9, 16 ori. Dacă diametrul conductorului se micşorează, inductanţa va creşte puţin. Introducînd în interiorul bobinei un miez feromagnetic, inductanţa se va mări de mai multe ori.

Cînd vom lega în serie mai multe bobine, inductanţa totală va fi egală cu suma inductanţelor fiecărei bobine. Această regulă este valabilă pentru cazul cînd bobinele nu se influenţează reciproc prin cîmpurile lor magnetice. Legarea bobinelor în paralel, provoacă o scădere a inductanţei şi se foloseşte rar.

Bobina de inducţie opune curentului continuu o rezistenţă mică ; aceasta depinde numai de lungimea, grosimea şi materialul din care este fabricat conductorul. Rezistenţa în curent continuu poartă denumirea de rezistenţă electrică sau rezistenţă. In curent alternativ, bobina mai are şi o reactanţă inductivă, prezenţa ei fiind explicată prin fenomenul inducţiei proprii. Impiedicînd toate variaţiile curentului, bobina opune o rezistenţă foarte mare la trecerea curentului alternativ, aceasta numindu-se reactanţă inductivă. Ea încetineşte creşterea curentului şi deaceea curentul alternativ în variaţiile sale nu va atinge valoarea care ar fi putut fi atinsă în cazul cînd nu ar fi existat bobina.

Cu cît frecvenţa curentului alternativ este mai mare, adică atunci cînd curentul variază mai brusc şi mai repede, cu atît opunerea inducţiei proprii la aceste variaţii va fi mai mare. Micşorînd frecvenţa, reactanţa inductivă se micşorează. La o frecvenţă egală cu zero, adică la curent continuu, reactanţa inductivă este şi ea egală cu zero, deoarece în curent continuu nu există fenomenul inducţiei proprii. Aşadar, aceeaşi bobină are rezistenţe diferite pentru curenţi cu frecvenţă diferită.

Deci, cu cît frecvenţa este mai mare, adică cu cît este mai mare inductanţa, cu atît va fi mai mare şi reactanţa inductivă. Mărimea reactanţei inductive se notează cu XL, este exprimată în Q şi se calculează cu ajutorul formulei:

în care, f este frecvenţa în Hz, iar L este inductanţa în H. In această formulă este uneori comod ca în loc de 6.28 să luăm 6.25, ceeace ne dă o eroare foarte mică.

Pentru exemplificare, să aflăm reactanţa inductivă a unei bobine cu o inductanţă de 2 mH, pentru un curent cu o frecvenţă de 500 kHz. Transformăm mH în H şi kHz în Hz. Vom obţine L = 0,002 H şi f = 500 000 Hz. Inmulţind aceste valori între ele, apoi cu 6,28, vom afla XL== 6 280 Ohmi. Dacă frecvenţa va fi de 500 Hz, adică de 1 000 ori mai mică, reactanţa inductivă se va micşora şi ea de 1 000 ori şi va fi numai 6,28 Ohmi,

In tabela 2 sînt date valorile reactanţei inductive pentru bobine cu inductanţe diferite la frecvenţe diferite.

Reactanţa inductivă are o proprietate foarte importantă : în ea nu se consumă energie. In curent continuu, energia curentului din fiecare rezistenţă se transformă în căldură, datorită faptului că electronii în mişcare se ciocnesc de particulele conductorului. La fiecare bobină, conductorul pentru curent alternativ are şi el o asemenea rezistenţă şi energia curentului alternativ se cheltuieşte pentru încălzirea conductorului, în aceeaşi măsură ca şi în curent continuu. Acest consum de energie se referă însă numai la rezistenţa cunductorului însuşi. In reactanţa inductivă, pe care o are în plus bobina, se petrece următorul proces. In cursul unui sfert de perioadă cînd curentul creşte, energia curentului se cheltueşte pentru crearea cîmpului magnetic şi se acumulează în bobină, iar în sfertul de perioadă următor, cînd curentul descreşte şi cîmpul magnetic se micşorează, energia cîmpului magnetic se transformă din nou în energie a curentului. După cum am arătat mai sus, aceasta se explică prin faptul că la scăderea cîmpului magnetic, potrivit cu legile fundamentale ale inducţiei, în bobină ia naştere o f.e.m. de inducţie proprie, care coincide ca sens cu curentul şi caută să-1 menţină. In timp de un sfert de perioadă bobina funcţionează ca receptor, iar în sfertul de perioadă următor, ca generator.

De aici denumirea de reactanţa inductivă. Ea provine dela cuvîntul reacţie, adică contraacţiune sau acţiune inversă şi arată că energia acumulată în cîmpul magnetic al bobinei nu se consumă, ci este recuperată în întregime. La curentul alternativ se numeşte totdeauna rezistenţă, elementul în care are loc o pierdere de energie nerecuperabilă, adică o transformare a energiei curentului într-o altă formă de energie, de exemplu în energie calorică.

Reactanţa inductivă se datoreşte f.e.m. de inducţie proprie, care ia naştere în bobină la variaţia curentului. Această f.e.m. micşorează curentul, adică, prin acţiunea sa se aseamănă cu rezistenţa, dar nu are ca rezultat un consum de energie suplimentară nerecuperabilă.

In circuitul de curent alternativ, bobina nu numai că produce o reactanţă inductivă, dar provoacă şi un decalaj de fază între tensiune şi curent. Analizînd valorile curentului continuu într-un circuit cu bobină, s-a constatat că el creşte treptat (fig.33), adică curentul ajunge la valoarea maximă cu o oarecare întîrziere faţă de tensiunea aplicată. Cînd se conectează la un generator de curent alternativ o bobină, variaţia curentului va avea întârzieri faţă de variaţia tensiunii.

Să presupunem, de exemplu, că bobina este conectată într-un moment cînd tensiunea are valoarea maximă. Curentul nu poate creşte instantaneu, ci treptat (fig. 34 a), deoarece creşterii lui i se opune f.e.m. de inducţie proprie. Dar în timp ce curentul creşte, tensiunea scade. Dacă rezistenţa bobinei este mult mai mică de cît reactanţa inductivă, curentul va avea valoarea maximă în momentul 1, cînd tensiunea va scădea pînă la zero. In fig. 34 a este reprezentat tocmai acest caz.

Concomitent cu curentul, în bobină ia naştere şi se măreşte cîmpul magnetic, în care se acumulează energia cedată de generator. Valoarea maximă a curentului în momentul 1, ne dovedeşte că în cîmpul magnetic al bobinei s’a acumulat maximul de energie primită de bobină de la generator în primul sfert de perioadă.

Mai departe curentul va scădea treptat, deoarece el este menţinut de f.e.m. de inducţie proprie. Cîmpul megnetic scade, iar energia acumulată în el revine treptat în generator. In acest timp, tensiunea generatorului creşte, dar de data aceasta în sens opus. La sfîrşitul celui de al doilea sfert de perioadă (momentul 2), curentul scade pînă la zero. Aceasta înseamnâ că a dispărut cîmpul magnetic din bobină şi întreaga energie s-a reîntors în generator. In acest moment starea din circuitul electric este aceeaşi ca şi în momentul iniţial 0 adică valoarea curentului este egală cu zero, iar tensiunea ajunge la maximul valorii sale, dar în sens opus. De aceea, întregul proces se va repeta din nou, dar în sens opus. După cum se vede, curentul din bobină întîrzie în fază faţă de tensiune cu un sfert de perioadă, adică cu 90°.

Dacă la un circuit de curent alternativ este conectată o rezistenţă neinductivă, între curent şi tesiune nu se va produce un decalaj de fază : variaţiile în timp ale tensiunii şi curentului coincid (fig. 34 b). In circuitul serie, compus dintr-o reactanţă inductivă şi o rezistenţă (fig. 34 c) are loc un decalaj de fază oarecare mijlociu între tensiunea aplicată circuitului U şi curentul I (acest decalaj este mai mic de 90°, dar mai mare decît zero). Cu cît reactanţa inductivă este mai mare în comparaţie cu rezistenţa, cu atît decala-jul de fază este mai aproape de 90°. In bobina L, decalajul de fază între tensiunea din bobină, UL şi curentul I este de 90°, iar în rezistenţa R, decalajul de fază dintre tensiunea UR şi curentul I este egal cu zero.

Datorită fenomenului de inducţie proprie, în orice conductor străbătut de un curent alternativ se observă efectul numit pelicular. Astfel, curentul alternativ, spre deosebire de cel continuu, nu trece prin toată secţiunea transversală a conductorului, ci numai printr’un strat de la suprafaţă, care devine cu atît mai subţire, cu cît frecvenţa creşte. De aceea, secţiunea de lucru utilă la curentul alternativ este cu mult mai mică, decît la curentul continuu. Prin urmare, rezistenţa conductorului în curent alternativ este tot-deauna mai mare decît rezistenţa în curent continuu şi, cu cît frecvenţa este mai mare, cu atît această diferenţă este mai mare (fig. 35). La o frecveniă de 50 Hz, efectul pelicular aproape că nu există, dar el se manifestă foarte puternic la frecvenţele înalte pen-tru care, se folosesc adesea conductori tubularj, întrucît nu este nevoie de partea interioară a conductorului. De multe ori, pentru frecvenţe înalte, suprafaţa conductorului este acoperită cu un strat de argint. Tentru a mări suprafaţa, se folosesc conductori din mai multe sîrme subţiri izolate între ele. Datorită efectului pelicular, curentul de înaltă frecvenţă nu este atît de periculos chiar la o tensiune înaltă, deoarece el trece prin suprafaţa corpului (pe piele) şi nu perturbează funcţiunile organice normale.

Aşadar, fiecare bobină are o reactanţă inductivă şi o rezistenţă. Impeâanţa bobinei în curent alternativ, care se notează cu liteza Z, nu se determină printr-o simplă adunare a acestor două reizstenţe, ci pe o cale mult mai complexă. Totuşi, în practică, în majoritatea cazurilor, reactanţa inductivă este cu mult mai mare decît rezistenţa şi de aceea, aceasta din urmă este de multe ori neglijată. Se consideră cu aproximaţie că bobina are numai reactanţă inductivă.
Bobinele folosite în aparatele de radio pot fi întrebuinţate numai pentru curenţi de joasă frecvenţă şi pentru curenţi de înaltă frecvenţă.

Bobinele pentru curenţi de joasă frecvenţă au totdeauna un miez de fier şi foarte multe spire. Inductanţa lor poate avea o valoare foarte mare (zeci şi chiar sute de henry). Miezurile acestor bobine nu sunt masive, fiind confecţionate din tablă subţire (numitetole) din fier special de transformator, izolate între ele cu foi subţiri de hîrtie sau cu lac. Această izolaţie serveşte ca să împiedice producerea curenţilor turbionari (sau curenţi paraziţi) în miez. Fluxul magnetic alternativ induce o f.e.m. şi în miez, întrucît acesta este bun conducător. Dacă miezul este masiv, în el vor lua naştere curenţi destul de mari, care-1 vor încălzi şi vor provoca pierderi mari de energie. Aceşti curenţi turbionari consumă o mare parte a puterii curentului. Intr-un miez confecţionat din tole izolate între ele, pierderile pentru producerea curenţilor turbionari scad mult. In afară de aceasta, în miez se mai produc şi pierderi pentru remagnetizare. Sub influenţa fluxului magnetic alternativ, moleculele din miez se rotesc tot timpul şi se produce o frecare interioară şi din această cauză miezul se încălzeşte şi mai mult. Pierderile acestea de energie numite pierderi prin histereză magnetică, sînt minime în miezuri confecţionate din materiale magnetice speciale.

Bobinele pentru curenţii de înaltă frecvenţă, se construiesc adesea fără miez de fier şi au, relativ, puţine spire, cîteva zeci sau sute. Inductanţa lor este între cîţiva |u H, pînă la cîţiva mH. In ultimul timp se intrebuinţează, cu bune rezultate, bobine de înaltă frecvenţă, cu miezuri confecţionate din magnetodielectrici.

Aceste miezuri se fabrică din praf fin dintr-un material magnetic, încleiat cu lac izolant. Ele dau pierderi de energie foarte mici şi permit reducerea dimensiunilor bobinei. Bobinele de înaltă frecvenţă se folosesc fie pentru acordarea aparatelor de recepţie sau de emisie la frecvenţe diferite, fie ca bobine de şoc, care servesc pentru crearea unei reactanţe inductive mari, pentru curenţii de diferite frecvenţe. Bobinele de şoc de înaltă frecvenţă, au în cazul unor inductanţe relativ mici, de cîteva unităţi sau fracţiuni de mH, o reactanţă inductivă destul de mare. Se întrebuinţează foarte mult şi bobinele de şoc de joasă frecvenţă, in care, pentru a obţine o reactanţa mauctiva mare, se folosesc miezuri de fier închise, înfăşurate cu cîteva sute şi chiar zeci de mii de spire (fig. 36).

Bobinele pentru înaltă frecvenţă se fabrică de două tipuri şi anume : cînd au un număr de spire relativ mic, ele sînt înfăşurate într-un singur strat pe o carcasă cilindrică (fig. 37 a), iar cînd au un număr mai mare de spire, înfăşurarea se face în mai multe straturi (fig. 37 b).

Bobinele cu inductanţa variabilă, au diferite construcţii. Uneori, pe spirele bobinei se poate deplasa un cursor ca şi la reostat (fig. 38 a). De multe ori, bobina se confecţionează cu derivaţii de la grupuri de spire şi în acest caz, putem varia inductanţa în trepte sau salturi cu ajutorul unui comutator (fig. 38 b).

O variaţie lentă a inductanţei se obţine cu ajutorul variometrulu. El se compune din două bobine legate în serie, din care una este fixă, iar cealaltă se poate deplasa faţă de prima. De obicei, bobina mobilă, numită rotor, se poate roti pe o axă în interiorul bobinei fixe, care se numeşte stator. In scheme, variometrul este reprezentat ca în fig. 39.

Dacă bobinele variometrului sînt aşezate una faţă de alta sub un unghi drept (fig. 39 a), inductanţa totală a variometrului în această poziţie este egală cu suma inductanţelor bobinelor. Intorcînd bobina mobilă cu 90° faţă de această poziţie, într-o parte sau în alta, direcţiile spirelor vor coincide, iar sensurile curenţilor din bobine vor fi aceleaşi, sau opuse (fig. 39 b, c). In aceste poziţii influenţa reciprocă a bobinelor va fi cea mai mare, dar în primul caz, inductanţa totală se va mări întrucît cîmpurile magnetice ale bobinelor se adună. In cel de al doilea caz, însă, inductanţa totala se va micşora, deoarece cîmpurile megnetice se slăbesc reciproc. Aşadar, cînd rotorul se roteşte cu 180° dintr-o poziţie extremă în cealaltă, inductanţa variază lent de la valoarea maximă pînă la cea minimă.

In ultimul timp se întrebuinţează şi ferovariometre, în care inductanţa bobinei variază datorită deplasării în interiorul ei a unui miez magnetodielectric.