Бифилярная катушка – это такая катушка, которая намотана несколькими изолированными друг от друга параллельными проводниками, начало и концы которых соединены по одной из схем.
Существует четыре основных способа намотки и соединения таких катушек, которые обладают своими характерными отличиями, величинами и параметрами:
— катушка с последовательным соединением и параллельной намоткой;
— параллельные соединение и намотка;
— катушка намотана встречно, соединение последовательное;
— катушка намотана встречно, соединение параллельное.
В обычных условиях бифилярные катушки наматывают так, чтобы ток в каждой обмотке протекал по одному и тому же направлению. Создаваемое первой обмоткой электрическое поле будет складываться с полем, создаваемым другой катушкой. Этот эффект приводит к наложению полей и их взаимодействию с созданием (образованием) общего потока большей величины.
Бифилярные катушки так же наматывают и соединяют иначе, когда витки обмоток расположены таким образом, чтобы электрический ток протекал в противоположных направлениях. Это так называемые катушки с нулевым коэффициентом самоиндукции (потому что электрическое поле, создаваемое одной обмоткой, будет по направлению противоположно полю, создаваемому второй обмоткой, однако будет равно ему по значению, что в случае наложения полей в сумме дает ноль). Такую намотку часто используют в современной электротехнике и электронике, как один из способов создания резистора проволочного с маленькой индуктивностью.
Плоская бифилярная катушка Н. Тесла.
Теперь рассмотрим строение и принцип работы еще одной конструкции бифилярной катушки, которая заслуживает особого внимания это плоская бифилярная катушка Николы Тесла, которую ученый запатентовал в 1894 году (патент US №512340).
Бифилярные катушки Н. Тесла имеют не классическую рядную намотку, а использовались катушки индуктивности с плоской намоткой, которые очень сильно отличаются своими свойствами от классических катушек.
В электрических установка или приборах систем переменного тока либо импульсных токов, в которых используются катушки или проводники, может возникать самоиндукция, которая, в большинстве случаев действует бесполезно или даже принося вред, порождая реактивные токи, которые часто снижают так называемую общую эффективность приборов, входящих в состав системы или действуют негативно в других отношениях. Действие самоиндукции, упомянутой выше, как известно, может быть нейтрализовано внесением в цепь емкости, соответствующей величины, в зависимости от самоиндукции и частоты тока. До момента создания данной бифилярной катушки решение данных вопросов достигалось с помощью конденсаторов, конструируемых и применяемых в виде отдельных элементов.
Многие, даже не понимают сути изобретения и не предполагают, почему, собственно, такой способ намотки, вдруг, делает катушку более эффективной.
Если присмотреться к намотке, то становится понятно, что ток направлен всегда в одну сторону (например, по часовой или против часовой стрелке) во всех витках. В чётных, которые относятся к одной намотке, и не чётных, относящихся ко второй, то есть, точно так же, как и в плоской катушке с намоткой в один провод. Поля, возникающее в любом произвольном витке, точно так же мешает возникновению (движению) зарядов (тока) в следующем витке, как это происходит и в простой катушке. Более того, индуктивные бифилярные катушки Н. Теслы часто путают с неиндуктивными бифилярными катушками Купера, в которых ток в произвольно выбранных двух соседних витках течёт в разных направлениях (которые, по своей сути и являются статическими усилителями мощности и порождают ряд аномалий). Осмыслив это, рождается вопрос, если намотка в два провода улучшает параметры катушки, то почему бы ни намотать в три, четыре провода, т.е. сделать трифилярную, квадрофилярную и т.д. катушку, и не приумножить этот положительный эффект.
Отгадка приходит с переводом самого патента на русский язык. Всё дело в разнице потенциалов в двух соседних витках. Н. Тесла подробно исследовал процесс индукции и самоиндукции, а так же потери, возникающие в катушках и выяснил, что если очень сильно повысить ёмкость катушки, то для данной частоты тока, понижается сопротивление в витках и эффект самоиндукции стремительно падает. Подробнее об этих и других соотношениях читайте ниже в патенте.
Эта катушка разрабатывалась Теслой исключительно для условий резонанса (последовательный LС-контур, резонанс напряжений), и в обычном виде он её практически не использовал на заре своих изобретений. В резонансе на концах катушки индуктивности появляется потенциал гораздо более мощный, чем внешний управляющий сигнал контура (подаваемое напряжение). Снять его напрямую оттуда нельзя. При подключении нагрузки соотношение L и C резонансного контура нарушается (уменьшается индуктивность) и система выходит из резонанса. Сам Тесла (в свой ранний творческий период) и не ставил такой цели. Поэтому, название патента очень хорошо отражает суть его изобретения.
В более поздний период Тесла, конечно же, отобрал эту колоссальную, появляющуюся в катушке мощность (энергию свободных вибраций). Здесь нам на руку играет тот факт, что катушка индуктивная, т.е. её можно использовать в качестве одной из обмоток трансформатора. Если сделать трансформатор с асимметричной взаимоиндукцией первичной и вторичной обмотки, то можно на вторичную повесить нагрузку. Если нагрузка имеет статический характер (например, лампочка, нагревательный элемент), то всё на порядок упрощается, – в этом случае, даже трансформатор не обязателен. Главное – всё точно рассчитать.
Здесь на рисунке: верхняя кривая, – это величина, запасаемой энергии в бифилярной плоской катушке Теслы, а нижняя кривая, – величина энергии в обычной плоской катушке, намотанной в один провод (опыт проведён в условиях резонанса).
Ниже представлен и сам патент на данную катушку.
Да будет известно, что я, Никола Тесла, гражданин США, проживающий в Нью-Йорке изобрёл полезное усовершенствование в катушках для электромагнитов и других аппаратов, которое ниже описано в сопровождении рисунков. В электромеханических аппаратах и системах переменного тока самоиндукционные катушки или проводники могут во многих случаях работать с потерями, что известно, как промышленная эффективность, и что приносит вред в различных аспектах. Эффект самоиндукции упомянутый выше, может быть нейтрализован ёмкостью тока определённой степени в соответствии с самоиндуктивностью и частотой тока. Это достигается использованием конденсаторов, собранных и применяемых как отдельный инструмент.
Моё это изобретение имеет целью изготовить катушки совершенными и избежать вовлечение конденсаторов, которые дорогие, громоздкие и труднорегулируемые. Я заявляю, что в термин «катушка» я включаю понятия соленоиды или любые проводники различные части которых находятся во взаимоотношениях друг с другом и фактически повышают самоиндукцию.
Я выяснил, что в каждой катушке существуют определённые взаимоотношения между её самоиндукцией и ёмкостью, что позволяет току данной частоты и потенциала проходить через неё с омическим сопротивлением (DL : здесь Тесла имеет в виду исчезновение реактивного сопротивления) или, другими словами, как если она работает без самоиндукции. Это происходит в результате взаимоотношений между характером тока и самоиндукцией и ёмкостью катушки, т.е. количество последнего достаточно для нейтрализации самоиндукции для данной частоты. Известно, что чем выше частота или разность потенциалов тока, тем меньше ёмкость требуется для нейтрализации самоиндукции, поэтому в любой катушке, особенно небольшой ёмкости, можно достичь поставленных целей, если добиться нужных условий.
В обычных катушках разность потенциалов между витками или спиралями очень маленькая, поэтому пока они во взаимодействии с конденсаторами, они несут очень небольшую ёмкость и взаимоотношения между самоиндукцией и ёмкостью не такие, как при обычном состоянии, удовлетворяющем рассмотренным требованиям где ёмкость очень мала относительно самоиндукции.
Для достижения цели увеличения ёмкости любой катушки, я наматываю её таким образом, чтобы обеспечить наибольшую разность потенциалов между соседними витками, а поскольку энергия хранящаяся в катушке (считаем, как в конденсаторе) пропорциональна квадрату разности потенциалов между витками, то становится понятно, что я могу таким образом, посредством определённого расположения витков, достичь увеличение ёмкости.
Я изобразил в приложении чертёж, в соответствии с которым осуществил это изобретение.
Рис.1 (Fig.1) – схема катушки, намотанной обычным способом.
Рис.2 (Fig.1) – схема катушки намотанной согласно изобретения.
Пусть «А» на рис.1 обозначает любую катушку спиралей или витков, из которых она намотана и которые изолированы друг от друга. Предположим, что концы этой катушки показывают разность потенциалов 100В и что она содержит 1000 витков: тогда, если рассматривать любые две ближайшие точки на соседних (примыкающих) витках, можно определить, что между ними будет существовать разность потенциалов, равная 0,1 вольта (100/1000).
Если теперь, как показано на рис. 2, проводник «В» намотан параллельно проводнику «А» и изолирован от него, а конец «А» будет соединён с началом проводника «В», и общая длина двух проводников будет такой, что и общее число витков или спиралей будет также 1000, то разность потенциалов между любыми соседними точками, что были рассмотрены выше, теперь как между проводниками «А» и «В», будет 50 вольт, и так как емкость возрастает пропорционально квадрату разности потенциалов, то энергия, запасенная в катушке в целом, навитой именно так, будет в 250000 раз больше (т.е. 50/0,1= 500, возведем в квадрат 500 · 500 = 250000).
Следуя этому принципу теперь я могу намотать любое количество катушек, не только описанным выше путём, но любым другим известным способом но так, чтобы обеспечить такую разность потенциалов между соседними витками, которая обеспечит необходимую ёмкость чтобы нейтрализовать самоиндукцию для любого тока, который может иметь место. Емкость полученная таким образом имеет дополнительное преимущество в том, что распределяется равномерно, что является наиболее важным в большинстве случаев. И как результат, оба параметра, — эффективность и экономия, легче достигаются тогда, если размер катушек, разность потенциалов и частота тока увеличиваются.
Катушки, состоящие из проводников в изоляторе и намотанные виток к витку и соединённые последовательно не являются новыми, и я не уделяю особого внимания для их описания. Однако, на что я обращаю внимание это то, что намотки другими способами могут привести к другим результатам.
Применяя моё изобретение, специалисты в этой области должны хорошо понимать зависимость между понятиями ёмкость, самоиндукция, частота и разность потенциалов тока. Также как и понимать какая ёмкость достигается и какая намотка должна иметь место для каждого конкретного случая.
Я заявляю в своём изобретении:
1. Катушка для электрического аппарата, состоит из витков, которые образуют часть цепи и между которыми существует разность потенциалов, достаточная для обеспечения ёмкости в катушке способной нейтрализовать самоиндукцию, как было описано.
2. Катушка, состоящая их изолированных проводников, соединённых последовательно имеет такую разность потенциалов, чтобы создать в целой катушке достаточную ёмкость для нейтрализации её самоиндукции.
Сам Тесла в патенте отмечает, что для придания катушке большей собственной емкости, нужно соединить два провода бифиляра последовательно между собой так, чтобы токи были направлены в одну сторону, тогда хоть индуктивность и останется прежней, собственная емкость такой катушки возрастет. И чем выше напряжение, тем сильнее будет эффект этой межвитковой емкости.
Суть в том, что в бифилярной катушке Тесла напряжение между двумя соседними витками оказывается больше, чем при обычной однопроводной намотке на величину половины приложенного к катушке напряжения.
Никола Тесла использовал бифилярные катушки с целью придания цепям большей собственной емкости, для возможности передавать (накапливая, отдавать) большую мощность электрического тока и, конечно же, таким путем избегал применения конденсаторов, которые трудно поддаются регулировке (они применялись для нейтрализации самоиндукции, которая возникает в катушках и проводниках). Емкость такой катушки, полученная в результате такой конструкции, распределяется равномерно, изменяя форму катушек и их размер, можно легко изменять полученную емкость.
В своих лекциях ученый упоминал бифилярные катушки именно как инструмент повышения собственной емкости зарядных и рабочих цепей различного высокочастотного оборудования высокого напряжения, которое он разрабатывал как для питания эффективных источников света, так и для передачи энергии на расстояние.
Плоские бифилярные катушки можно использовать и в параллельном LC резонансе (резонанс токов) тем самым еще увеличивая их мощность.
Скачать оригинал патента US 512340 – плоская бифилярная катушка Николы Тесла: US 512.340