Про магнитопроводы/сердечники катушек (в том числе, полностью самодельные)

Сейчас, пожалуй, нам покажется даже и невероятным, что такая широко распространённая вещь, как ферритовые изделия для электроники раньше были распространены мало, что вызывало множество проблем и накладывало определённые ограничения; и, в противовес этому, с их появлением всё кардинально изменилось и упростилось… 

Интересно, что ферромагнитные сердечники могут быть изготовлены даже самостоятельно — конечно, уступающие по эксплуатационным свойствам заводским изделиям, но, сам факт наличия такой возможности всё равно занятен (и, думается, малоизвестен для широкой публики!)… 

В связи с вышесказанным, присмотримся поподробнее к сердечникам-магнитопроводам как таковым и ферритам в частности, как с точки зрения их эволюции и пользы, так и с точки зрения создания сердечников одним из довольно удивительных кустарных способов!

…Ещё со времён Андре-Мари Ампера было известно, что электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг этого проводника магнитное поле, и, если положить два провода с протекающим достаточно сильным током параллельно рядом друг с другом, то, в зависимости от того, в каком направлении течёт ток в каждом из проводников — эти провода будут либо притягиваться к друг другу, либо отталкиваться — собственно этот факт (в числе многих других) и был обнаружен в своё время (1820 г.) Ампером, который, в свою очередь, зажёгся более ранними опытами Ханса Христиана Эрстеда, в ходе своих экспериментов обнаружившего, что проводники с электрическим током могут влиять на движение стрелки магнитного компаса.

Стало понятно, что у этого открытия есть большое будущее и в дело вступил целый ряд учёных, тоже начавших экспериментировать в этом направлении и заложивших основы современной электротехники и одно из таких изобретений мы хорошо знаем, но некоторые могут не знать, например, насколько давние у этого аппарата корни: электрический трансформатор! 

По дошедшим до нас историческим свидетельствам (записям Майкла Фарадея), мы можем судить, что произошло это в 1831 году, когда в ходе своих экспериментов он обмотал простое железное кольцо двумя кусками провода, расположив их на противоположных сторонах кольца, где одну обмотку подключил к выводам гальванометра, а вторую периодически замыкал на батарею постоянного тока, в результате чего, наблюдая кратковременное отклонение стрелки гальванометра:

Этот эксперимент позволил ему понять, что сам факт образования электрического поля вокруг проводника позволяет импульсно намагничивать кольцо, что, в свою очередь, индуцирует электрический ток во второй обмотке и регистрируется гальванометром… 

Другие эксперименты показали, что размещение способного к намагничиванию (как мы видим по эксперименту выше, даже просто железного) сердечника внутрь катушки позволяет создать электромагнит временного действия (пока течёт ток*).

* Но, и, думаю, что здесь просто нельзя умолчать об этом, так как это интересно — существует такая специально сконструированная разновидность электромагнита, которая позволяет кратковременно создать импульс электрического тока, после чего, образовавшееся магнитное поле «запереть», как бы закольцевать — и в результате, образуется своеобразный постоянный магнит, который может неограниченно долго удерживать поле внутри себя, без потребности в питании. Называется такая конструкция «магнитным хранителем» (можете поискать видео, довольно занятно).

Все эти опыты, можно сказать, что надолго (и по сей день) соединили электричество, катушки и магнетизм воедино, позволяя создавать на базе этого принципа разнообразные устройства…

На настоящий момент, мы имеем большое количество разновидностей катушечных устройств, где, наверное, можно разделить все существующие их виды, грубо говоря на 2 типа:

• Катушки индуктивности: могут использоваться в радиоделе, например, в колебательном контуре, где подобная катушка служит как бы одним из плечей «качельки» откуда энергия перекачивается в конденсатор и наоборот, во время прохождения электрического тока — запасая энергию в магнитном поле:

Или же, например, тот же самый принцип может использоваться для гашения паразитных колебаний, и катушка исполняется в виде пассивного элемента, сопротивляющегося изменениям тока:

• Уже знакомые нам трансформаторы разного рода — предназначены для передачи электромагнитной энергии по специальному сердечнику на другую обмотку и трансформации её в электрический ток с другими свойствами:

Если мы обратим внимание на все картинки несколько выше, то мы обнаружим у них любопытную общую деталь: наличие некоего сердечника! И, если в случае трансформатора это ещё можно объяснить (передача намагниченности и возбуждение электрического тока в другой обмотке) — то, как объяснить наличие сердечника у катушек индуктивности?

Тут всё просто: дело в том, что на каком-то этапе учёными было обнаружено значительное (в тысячи раз) увеличение напряжённости магнитного поля, если у катушки есть магнитопроводный сердечник!

Для этого он должен обладать возможностью быстро намагничиваться и размагничиваться (говорят обладать «высокой магнитной проницаемостью»). 

Таким образом, это всего лишь усилитель (и проводник до другой обмотки, если говорим о трансформаторе) магнитного поля!

Однако, если мы ещё внимательнее присмотримся к картинкам выше, то увидим, что почему-то, одни катушки имеют сердечник из цельного чёрного материала, а другие — набранный из отдельных тонких полос металла… 

А дело здесь в том, что, глядя на эти два типа исполнения сердечников, мы по сути смотрим, как бы через окошко машины времени на два исторически разных периода, где цельные чёрные сердечники (изготовленные из «ферритов») появились и начали развиваться существенно позднее (1930-е годы), чем более ранние — набранные из отдельных полос металла (появившихся ещё аж в XIX веке)! 

Как мы видели выше, начиная с первых экспериментов Ампера и ранее — весь XIX век был посвящён изучению электричества (не зря его называют «электрическим веком»), где уже в 1855 году Леоном Фуко было обнаружено, что изменяющиеся (в этих экспериментах — физически движущиеся мимо проводника или проводник мимо магнита) магнитные поля индуцируют внутри проводника токи, которые по сути, представляют собой вихреподобные короткозамкнутые пути тока, в результате действия которых вырабатывается тепло:

Эти токи вошли в историю по имени своего открывателя известны нам как «токи Фуко».  

Таким образом, в виду активного развития электротехники в XIX веке уже самые первые строители электромагнитных устройств (трансформаторов) столкнулись с тем, что использование цельного металлического сердечника в условиях воздействия быстро изменяющихся магнитных полей приводит к сильному нагреву во время работы. Причина — всё те же самые пресловутые токи Фуко… 

И со временем было найдено решение: увеличить сопротивление материала (и, соответственно, уменьшить силу токов Фуко) за счёт уменьшения сечения сердечника с помощью изготовления его не в виде цельного бруска металла, а набора из отдельных тонких пластин, изолированных друг от друга тем или иным способом (бумага, картон, лак):

И, кстати говоря, если мы обратимся к понятию скин-эффекта, то узнаем, что с ростом частоты происходит вытеснение полезного тока — токами Фуко всё больше на поверхность проводника, уменьшая полезную задействованную площадь. И таким образом, чтобы задействовать весь объём проводника, приходится делать пластины всё более тонкими.

Для изготовления этих пластин стали использовать отожжённое железо, так как оно обладает низкой коэрцитивной силой (т.е. способностью сохранять намагничивание) и, в виду этого не остаётся намагниченным в условиях быстро меняющегося электромагнитного поля. 

Некоторое время спустя, было найдено и ещё одно решение для увеличения электрического сопротивления пластин — английский изобретатель и металлург Роберт Гадфилд (Robert Hadfield) в 1886 году открыл и запатентовал кремнистую сталь, которую изначально планировал использовать в пружинах и тонких клинках ножей из-за её прочностных качеств, однако дальнейшие исследования показали, что добавление кремния увеличивает  электрическое сопротивление железа до пяти раз и уменьшает петлю гистерезиса (грубо говоря, запаздывание сердечника при перемагничивании, вслед за изменяющимся магнитным полем). Это открытие привело к активному её использованию и в данный момент эта сталь известна под названием «электротехнической стали». В дальнейшем, стали появляться и другие сплавы.

Очередной прорыв в этой области случился уже в 1930 году, когда доктора Йогоро Като и Такеши Такеи из токийского технологического института изобрели «феррит» — соединение оксидов металлов (оксид железа Fe₂O₃,с рядом других металлов, например, цинка (ZnO), меди (CuO), оксид марганца (MnO)) прессуемых под большим давлением и затем обжигаемых в печи, и, в результате чего получая керамический материал с магнитными свойствами*.

*Так же как и в предыдущем варианте у железа, где обычное (не отожжённое) и отожжённое железо отличаются по способности удерживать намагничивание — ферриты также различаются на «магнитомягкие» (быстро перемагничиваются) и «магнитотвёрдые» ферриты (удерживают намагниченность).

Таким образом мы здесь видим и ещё один оригинальный подход по увеличению сопротивления: вместо железа с добавками — используются оксиды, обладающие многократно большим сопротивлением чем железо, что позволяет успешно подавлять возникновение мощных токов Фуко, и, в то же время, эффективно проводить магнитную энергию! 

Вики и другие источники нам подсказывают, что сопротивления железа, электротехнической стали и ферритов (на примере одного из них) соотносятся примерно следующим образом: 

Железо: 9,70×10⁻⁸ Ом*м

Электротехническая сталь: 46,0×10⁻⁸ Ом*м

Феррит (Mn-Zn, марки PC40): 6,5 Ом*м

Исторически самым первым массово производящимся ферритом считается начавший выпускаться в 1937 году под маркой «Oxide Core» и производимый компанией TDK.

Интересно, что с осознанием возможности создания сердечников из магнитных материалов большого сопротивления появляются и идеи (иной раз весьма оригинальные!) из чего такие сердечники можно было бы в теории сделать!

Целый ряд инженеров экспериментируют в этой области и одним из таких экспериментаторов стал Х.П.Фридрихс (H.P.Friedrichs), которому в какой-то момент времени пришла идея использовать для создания сердечников чёрный магнетитовый песок из пустынных промоин около Тусона, Аризона, и, как он сам говорит (не дословно, но суть), что «удивительно, но обычная чёрная «грязь» вполне может быть использована для компонентов радиоприёмников и трансформаторов! И, как ни странно, это работает!» — этот факт он проверил лично, о чём и составил подробный 65-страничный отчёт, который вы можете найти здесь.

Кстати, забавно, что этот отчёт так и называется: «Digging dirt on inductors», что, в несколько вольной трактовке, можно, наверное, перевести как «Копая грязь для индукторов».

Кроме того, как вы могли видеть по ссылке несколько выше, где приведено резюме этого человека — это инженер с многолетним стажем (как он сам пишет, тридцатилетним стажем в различных инженерных областях, так что, полагаю, его отчёту вполне можно верить… 

Итак, что же он сделал такого интересного…Во-первых, как он сам говорит, его всегда привлекали эти намывы из пустыни, содержащие какие-то чёрные крупинки высокой твёрдости, и, к тому же, реагирующие на магнит, то есть примагничивающиеся, глядя на которые у него появилась идея, что подобные природные ресурсы, имеющиеся в свободном доступе, можно было бы полезным образом применить для целей электротехники и радиодела! Как выяснилось, это магнетит — природный материал с магнитными свойствами. 

Так как любой магнитный материал характеризуется некоторой магнитной проницаемостью, и, к тому же, в нашем случае это особо интересно (если брать, скажем, тот же трансформатор, то от этого будет, в том числе, зависеть насколько эффективно можно перекачивать  энергию из одной обмотки в другую), то он стал искать общедоступную информацию о магнитной проницаемости магнетита, но, как он говорит, найти ему этого не удалось.

В виду наблюдаемого, он решил измерить её самостоятельно, для чего построил следующий стенд: взял тонкостенную пластиковую трубку, размерами примерно 114х21,6 мм, и намотал на середину этой трубки 115 витков, плотно, виток к витку, провода, диаметром, примерно 0,483 мм (с изоляцией), после чего замерил индуктивность получившаяся катушки, и у него вышло значение около 109,7 мкГн; затем, он эту трубку заполнил полностью магнетитовым песком, следя за тем, чтобы не было пустот, и замерил индуктивность снова — на этот раз она подпрыгнула и составила 248,9 мкГн, где, как он сам говорит, через соотношение этих двух чисел он вывел относительную магнитную проницаемость, которая получилась равной 2,3 (примерно). 

Как он тут же отмечает, чтобы понять, много это или мало, нужно просто обратиться к спецификациям порошкообразных сердечников, где, например, если взять наиболее широко распространённые тороидальные сердечники из порошкообразного железа, то выяснится, что их магнитная проницаемость только стартует где-то от 10 и уходит вплоть до 800! (по крайней мере, по доступным для него к изучению спецификациям)*

*Тут надо сделать небольшое отступление и сказать о том, что в процессе предыдущего рассмотрения мы для себя узнали, что существуют сердечники из листового металла и из порошкообразных оксидов, однако, не упомянули и, как минимум, ещё один переходный интересный вариант — существуют сердечники, изготавливаемые из порошкообразного железа, со связующим, например, эпоксидной смолой. Таким образом частенько делают тороидальные сердечники.

И, как он тут же говорит, что из всего этого можно сделать вывод — подобные сердечники из природного магнетита вряд ли смогут конкурировать с коммерчески производимыми изделиями, однако, в то же время, это вовсе не означает, что они не могут применяться вообще: это всего лишь означает, что потребуется больше провода в качестве обмотки! С другой стороны, в определённых моментах это может быть и плохо, так как увеличиваются потери на сопротивление…

Причём, ещё из интересного: на седьмой странице этого отчёта мы можем найти и чёткий ответ, почему, в том числе, ещё появились порошковые сердечники: рост частоты работы устройств требует всё более тонких слоёв металла (если говорить о ламинированных сердечниках, например трансформаторов),и, начиная с какого-то порога, по мере приближения к радиочастотному диапазону — идёт сначала переход на сердечники из порошковых металлов, а затем и на сердечники из оксидов (ферритов), которые могут работать на частотах в сотни МГц, так как не подвержены воздействию токов Фуко. 

Что ещё из интересного мы можем найти у него в отчёте:

• Как он отлил из смеси магнетита и эпоксидки стержневую антенну, которая вполне успешно работала с радиотюнером СВ-диапазона;

• Большое количество тороидальных трансформаторов, также из эпоксидки и магнетита (в том числе, для миниатюрного «похитителя джоулей» — который уже сам по себе требует высокой эффективности и, тем не менее, даже такой тороид для него вполне прокатил, схема работает отлично!) — предсказуемо, это потребовало большего количества витков (как он сам пишет, 135 витков, что несколько выше, чем обычно указывается в таких схемах);

• Высокочастотный генератор синусоидального сигнала (генератор Хартли): система успешно работала в диапазоне частот 7..27 МГц;

• Электродвигатель со статором, отлитым из песка и эпоксидки (а затем и электрогенератор, тоже такого же принципа, но несколько иного устройства), которым он решил заменить стандартный статор набранный из пластин (и опять же, всё работало отлично!) — как он сам говорит, изначально он задумывался об отливке и ротора, но решил от этого отказаться, так как нагрузки при быстром вращении могут быть запредельными и привести к катастрофическому разрушению;

• И целый ряд других интересных экспериментов вокруг этого… ;-)

Таким образом, подытоживая, можно отметить, что, как мы видим, зная некоторые основные принципы, вполне можно применять широкий круг материалов для, казалось бы, даже таких консервативных сфер, как электротехника и радиодело, что открывает новые возможности!

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.