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誘導コイルまたは「スパークコイル」（古くは誘導器またはハインリヒ・リュームコルフにちなんでリュームコルフコイル[ 1 ]として知られていた）は、低電圧直流（DC）電源から高電圧パルスを生成するために使用される変圧器の一種である[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]。[ 1 ] [ 5 ]二次コイルに電圧を誘導するために必要な磁束変化を 生成するために、一次コイルの直流は、遮断器と呼ばれる振動する機械的接点によって繰り返し遮断される。 [ 1 ] 1836年にアイルランドのカトリック司祭ニコラス・カランによって発明され、またアメリカの発明家チャールズ・グラフトン・ページによっても独立して発明された[ 1 ]誘導コイルは、最初のタイプの変圧器であった。1880年代から1920年代にかけて、X線装置[ 1 ] [ 6 ]、火花放電式無線送信機[ 1 ] [ 6 ]、アーク照明、およびインチキ医療電気療法装置に広く使用されていました。今日では、内燃機関の点火コイルとして、また物理教育で誘導を実演するためにのみ一般的に使用されています。
誘導コイルは、共通の鉄心（M）の周りに巻かれた2つの絶縁電線のコイルで構成されています。[ 1 ] [ 7 ]一方のコイルは一次巻線（P） と呼ばれ、比較的少ない（数十回または数百回の）太い電線でできています。[ 7 ] もう一方のコイルは二次巻線（S）と呼ばれ、通常は最大100万回の細い電線（最大40ゲージ）で構成されています。[ 8 ] [ 1 ] [ 7 ]
一次コイルに電流を流すと磁場が発生します。[ 1 ] [ 7 ] コアが共通であるため、一次コイルの磁場の大部分は二次コイルと結合します。一次コイルはインダクタとして動作し、関連する磁場にエネルギーを蓄積します。一次コイルの電流が突然遮断されると、磁場は急速に崩壊します。これにより、電磁誘導によって二次コイルの端子間に高電圧パルスが発生します。二次コイルの巻数が多いため、二次コイルの電圧パルスは通常数千ボルトになります。この電圧は、二次コイルの出力端子を隔てるエアギャップ（G）を飛び越える電気火花を発生させるのに十分な場合が多いです。このため、誘導コイルはスパークコイルと呼ばれていました。
誘導コイルは従来、発生させることができる火花の長さによって特徴づけられてきました。例えば、「4 インチ」（10cm ）の誘導コイルは4インチの火花を発生させることができます。陰極線オシロスコープ が開発されるまでは、これがこのような非対称波形のピーク電圧を測定する最も信頼性の高い方法でした。火花の長さと電圧の関係は、広い範囲で線形です。
1984年の文献で示された曲線は、これらの値とよく一致している。[ 10 ]
コイルを連続的に動作させるには、誘導に必要な磁場変化を生み出すために直流電流を繰り返し接続および切断する必要があります。[ 1 ] そのため、誘導コイルは、遮断器またはブレーク（A）と呼ばれる磁気的に作動する振動アームを使用して、一次コイルに流れる電流を高速に接続および切断します。[ 1 ] 遮断器は、鉄心の隣にあるコイルの端に取り付けられています。電源がオンになると、一次コイルの電流が増加して磁場が増加し、磁場が遮断器の鉄製アーマチュア（A）を引き付けます。しばらくすると、磁気による引力がアーマチュアのばねの力を上回り、アーマチュアが動き始めます。アーマチュアが十分に移動すると、一次回路の接点（K）が開き、一次電流が切断されます。電流が切断されると、磁場が崩壊して火花が発生します。また、崩壊した磁場はもはやアーマチュアを引き付けないため、ばねの力によってアーマチュアは元の位置に向かって加速されます。しばらくすると接点が再接続され、電流が流れて再び磁場が発生します。このプロセス全体が最初から繰り返され、毎秒何度も繰り返されます。二次電圧v 2 (赤) は、一次電流i 1 (青)の変化率にほぼ比例します。
遮断器が回路を遮断して閉じると、二次側には逆の電位が誘起されます。しかし、一次側の電流変化は遮断器が遮断した時の方がはるかに急激です。接点が閉じると、電源電圧がコイルのインダクタンスを通して電流を流す能力が限られているため、一次側の電流はゆっくりと増加します。一方、遮断器の接点が開くと、電流は突然ゼロになります。そのため、遮断時に二次側に誘起される電圧パルスは閉じる時に誘起されるパルスよりもはるかに大きく、コイルの高電圧出力は遮断によって発生します。
遮断時に遮断器接点でアークが発生し、好ましくない影響が生じます。アークは磁場に蓄積されたエネルギーを消費し、出力電圧を低下させ、接点を損傷します。[ 11 ] これを防ぐために、0.5～15μFの消弧コンデンサ（C）が一次コイルに並列に接続され、遮断後の電圧上昇を遅くします。コンデンサと一次巻線は同調回路を形成するため、遮断時には一次側に減衰正弦波電流が流れ、同様に二次側にも減衰波が誘起されます。その結果、高電圧出力は一連の減衰波で構成されます。
コイル内で発生する高電圧によって薄い絶縁体が破壊され、二次線間でアーク放電が発生するのを防ぐため、二次コイルは、大きな電圧差を持つ線が互いに隣接しないように特別な構造を採用しています。広く用いられている手法の一つでは、二次コイルは多数の薄く平らなパンケーキ状のセクション（「パイ」と呼ばれる）に巻かれ、直列に接続されています。[ 12 ] [ 1 ]
一次コイルはまず鉄心に巻き付けられ、厚い紙またはゴムのコーティングで二次コイルから絶縁されます。[ 1 ] 次に、各二次サブコイルは隣接するコイルに接続され、ワックスを塗った厚紙ディスクで隣接するコイルから絶縁された状態で鉄心にスライドされます。各サブコイルで発生する電圧は、サブコイル内のワイヤ間を飛び越えるほど大きくありません。[ 1 ] 大きな電圧は、アーク放電を起こすには離れすぎている多数のサブコイルが直列に接続されている場合にのみ発生します。コイル全体に最終的な絶縁コーティングを施すために、溶融パラフィンワックスまたはロジンに浸されます。内部に気泡が残らないように空気を抜き、パラフィンを固化させて、コイル全体をワックスで覆います。
エネルギー損失の原因となる渦電流を防ぐため、鉄心は平行な鉄線の束でできており、各鉄線は電気的に絶縁するために個別にシェラックでコーティングされている。 [ 1 ] 磁気軸に垂直な方向に鉄心内でループ状に流れる渦電流は、絶縁層によって遮断される。絶縁された一次コイルの両端は、二次コイルから一次コイルまたは鉄心へのアーク放電を防ぐために、二次コイルの両端から数インチ突き出ていることが多かった。
教育目的で使用される現代の誘導コイルはすべて、上述の振動アーム「ハンマー」型遮断器を使用していますが、これらは 20世紀初頭頃に火花ギャップ無線送信機やX線装置で使用されていた大型誘導コイルに電力を供給するには不十分でした。強力なコイルでは、高い一次電流によって遮断器の接点でアークが発生し、接点がすぐに破壊されました。 [ 1 ] また、各「遮断」によってコイルから電圧パルスが発生するため、1秒あたりの遮断回数が多いほど出力電力が大きくなります。ハンマー型遮断器は1秒あたり200回を超える遮断レートを実現できず、強力なコイルで使用されるものは1秒あたり20～40回の遮断に制限されていました。
そのため、遮断器の改良に多くの研究が費やされ、改良された設計が高出力コイルで使用され、ハンマー式遮断器は8インチ以下の火花の小型コイルでのみ使用されました。[ 13 ]レオン・フーコーらは、水銀の容器に浸したり出したりする振動する針で構成される遮断器を開発しました。[ 1 ] 水銀はアルコールの層で覆われており、アークを素早く消火し、スイッチングを高速化しました。これらは多くの場合、別の電磁石またはモーターによって駆動され、[ 1 ]遮断率と「滞留」時間を主電流とは別に調整することができました。
最大のコイルには、電解式または水銀タービン式遮断器が使用されていました。[ 1 ] 1899 年にアーサー・ウェネルト によって発明された電解式またはウェネルト式遮断器は、希硫酸の電解液に浸された短い白金針陽極と、回路のもう一方の端が鉛板陰極に接続された構造でした。[ 1 ] [ 14 ] 一次電流が流れると、針に水素ガスの泡が発生し、回路が繰り返し遮断されました。これにより、一次電流が毎秒最大 2000 回ランダムに遮断されました。X 線管の電源として好まれました。大量の熱が発生し、そのため水素が爆発する可能性がありました。水銀タービン式遮断器には、回転する金属接点に液体水銀の流れを噴射する遠心ポンプが備えられていました。[ 1 ] 毎秒最大 10,000 回遮断することができ、商用無線局で最も広く使用されていたタイプの遮断器でした。[ 1 ] [ 14 ]
誘導コイルは、最初のタイプの電気変圧器でした。1836年から1860年代にかけて、主に試行錯誤によって開発された過程で、研究者たちは、巻数と出力電圧の比例関係や、渦電流損失を低減するための「分割型」鉄心の使用など、すべての変圧器を支配する多くの原理を発見しました。
マイケル・ファラデーは1831年に誘導の原理、ファラデーの誘導法則を発見し、コイル間の誘導に関する最初の実験を行った。[ 15 ]誘導コイルは、 1836年に アメリカの医師チャールズ・グラフトン・ページによって発明され[ 16 ] [ 17 ] 、同年、 アイルランドの科学者でカトリック司祭のニコラス・カランがメイヌースのセント・パトリック・カレッジで独自に発明し[ 1 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] 、ウィリアム・スタージョンによって改良された。[ 1 ]ジョージ・ヘンリー・バッハホフナー[ 1 ]とスタージョン（1837年）は、鉄線の「分割」鉄芯が電力損失を低減することを独自に発見した。[ 22 ] 初期のコイルには、カランとアントワーヌ・フィリベール・マッソン（1837年）によって発明された手動クランク式遮断器が付いていた。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] 自動「ハンマー」遮断器は、アイルランドのダブリンのジェームズ・ウィリアム・マコーリー牧師教授（1838 年）、 [ 16 ] [ 26 ] ヨハン・フィリップ・ワーグナー（1839 年）、クリスティアン・エルンスト・ネーフ（1847 年）によって発明されました。[ 1 ] [ 27 ] [ 28 ]イポリット・フィゾー（1853 年）は消弧コンデンサの使用を導入しました。[ 1 ] [ 29 ] [ 30 ]ハインリヒ・ルムコルフは、二次側の長さを大幅に長くすることでより高い電圧を生成し、[ 1 ]一部のコイルでは 5 マイルまたは 6 マイル（10 km）のワイヤーを使用し、最大 16 インチの火花を発生させました。1850 年代初頭、アメリカの発明家エドワード・サミュエル・リッチーは、絶縁を改善するために分割二次構造を導入しました。[ 31 ] [ 32 ]ジョナサン・ナッシュ・ハーダーは誘導コイルの研究に取り組んだ。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]カランの誘導コイルはIEEE マイルストーン2006 年。[ 38 ]
誘導コイルは、初期のガス放電やクルックス管、その他の高電圧研究に高電圧を供給するために使用されました。また、娯楽（例えば、ガイスラー管の点灯）や、小型の「ショックコイル」、テスラコイル、そしてインチキ医療で使用された紫光線装置の駆動にも使用されました。ヘルツは、ジェームズ・クラーク・マクスウェル やロッジとマルコーニが電波に関する最初の研究で予測した電磁波の存在を実証するために誘導コイルを使用しました。産業用途で最も多かったのは、おそらく初期の無線電信の火花放電式送信機と、1890年代から1920年代にかけての初期の冷陰極X線管の電源としてであり、その後、これらの用途では交流変圧器と真空管に取って代わられました。しかし、最も多かった用途は、内燃機関の点火システムの点火コイルまたはスパークコイルとしてであり、現在でも使用されていますが、遮断接点はソリッドステートスイッチに置き換えられています。より小型のものは、カメラやストロボライトで使用されるフラッシュチューブを発光させるために使用されます。
希硫酸溶液が入った容器と、その溶液に浸された2つの端子から構成されます。正極（陽極）は白金製で、表面積は約3/16インチです。負極（陰極）は鉛製で、面積は約1平方フィートです。この遮断器を誘導コイルの一次側と約40ボルトの起電力源に直列に接続すると、白金電極上に気泡が発生して崩壊するため、回路が遮断されます。
{{cite book}}: ISBN / 日付の不一致 (ヘルプ) 31 ページには電解式遮断器の説明がありますが、Wehnelt 遮断器であるとは明記されていません。