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Bobine pour haute fréquence .
EMI1.1
Le développement des radio-transmïasions et l'aaoroisse- ment du nombre de postes émottiurs qui en est la aonséquenoe, ont conduit à accorder une plus'grande importance aux qualités
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de sélectivité des appareils radio-récepteus. Pour obtenir une bonne sélectivité, il est absolument nécessdire d'utiliser des circuits oscillants à faibles pertes. L'emploi de bobines de haute qualité à fils tressés, dans les appareils réoepteurs modernes, était rendu diffioile du fait de leurs dimensions et de leur prix de revient élevés, mais surtout par la néoessi- té de former écran contre les champs de dispersion, cette mesure entraînant régulièrement un accroissement de l'amortissement si l'on ne voulait atteindre des dimensions exagérées.
Ce dilemme ne comporte pas de solution de principe et le teohni- cien n'avait d'autre ressource que d'utiliser, soit de grandes bobines à faibles pertes, soit de petites bobines à pertes élevées. Une solution de prinoipe semblait pouvoir être trou- vée dans l'emploi de noyaux magnétiques tels que oeux utilisés pour la construction des bobines dites de pupinisation, mais malgré les nombreux essais tentés pour appliquer l'expérience acquise dans ce dernier.domaine à celui de la radio qui tra- vaille aveo des fréquences environ mille fois plus grandes, on @ n'avait pu obtenir encore de résultats satisfaisants.
Ce n'est que grâce aux travaux--du demandeur que l'on a pu réaliser tout récemment des noyaux magnétiques convenant déjà. assez bien pour les emplois de haute fréquence, en particulier pour la fabrication d'éléments constructifs pour radio-réoepteurs. Mais à l'emploi de telles bobines dans oes appareils s'opposaient encore leur enoombrement toujours notable, leur fabrication délicate et coûteuse, le poids élevé de leur noyau, et leurs pertes encore trop élevées. A oela venaient s'ajouter des pertes/ qui, d'après les recherches les plus récentes, étaient oonditionnées par la forme des bobines et par leur réalisation constructive; on utilisait en effet des bobines toroidales d'environ 5 om de diamètre comme celles
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couramment employées pour la pupinisation.
La présente invention résoud le problème d'une bobine à noyau magnétique oonvenant à tout point de vue pour la construction d'appareils radio-récepteur et couvrant la région des ondes de radio-diffusion de 200 à 600 mètres, ainsi que bien entendu la région des grandes ondes.
L'invention est basée : a) sur la connaisance des conditions devant être rigoureu- sement remplies pour maintenir à une faible valeur les pertes spécifiques de haute fréquence dans un noyau magnétique pour la plage de fréquence sus-mentionnée (certaines de ces oondi- tions sont connues en partie); b) sur la oonnaissanoe des conditions à remplir en vue de la réalisation oonstruotive d'une bobine à haute fréquence avec noyau magnétique et à faibles pertes;
c) enfin sur la connaissance du fait que seule une oom- binaison des caractéristiques mentionnées sous a) et b) - c'est- à-dire une matière réalisée dans les conditions voulues ou une construction garantissant les pertes faibles - est susoep- tible de garantir une solution définitive et utilisable en pratique du problème des bobines à haute fréquence à faibles pertes avec noyau magnétique.
Pour la plage de fréquence de 500 à 1500 kilooyoles, on réussit à fabriquer une matière à faibles pertes pour les noyaux si pour la constitution de ces derniers les conditions ci-après sont entièrement remplies : 1 ) emploi de particules magnétiques en une matière @ (fer pur, fer oarbonyle, ferrosilioium, et alliages de ferronickel) dont l'hystérésis et les pertes par oourant de Foucault n'ont qu'une très faible valeur surtout pour des fux peu importants.
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2 ) le volume des partioules doit:être de 0,5 10-7 à 0,6 . 10-4 mm3 et leur forme doit préférablement être celle de petites sphérules ou de particules à angles arrondis .
Si les partioules sont trop grosses. les pertes augmentent par suite des courants de Fouoault dans chacun d'eux.
Si les particules sont trop petites, la perméabilité diminue, de sorte qu'il est nécessaire d'employer davantage de spires de cuivre, ce qui, à son tour, augmente les pertes dans le cuivre. Pour la plage de fréquence mentionnée, les volumes oi-dessus constituent des optima. Pour obtenir les particules de la petitesse'nécessaire et de la forme arrondie, on les fabrique, soit mécaniquement, par broyage et en -les arrondissant dans un broyeur à billes par exemple, soit chimiquement par précipitation, par séparation en phases gazeuses (fer carbonyle), par réduction des oxydes, ou bien encore suivant le procédé spécial de fusion récemment mis au point par de demandeur .
30) isolement individuel des particules au moyen d'une pellicule isolante résistante, mais extrêment mince obtenue par exemple par oxydation.
Cet isolement des partioules peut s'effectuer comme dans la technique des bobines de pupinisation par oxydation, par grillage, par émaillage, par attaque aux acides, par laquage etc. L'èpaissur de la pellioule isolante est limitée vers le haut par la diminution du facteur de remplissage en matière magnétique, et vers le bas par la condition que lors des efforts mécaniques prenant naissance pendant la superposi- tion, cette pellicule doit rester en contact et conserver son effet isolant. Souvent il suffit, surtout dane le cas du fer désintégré mécaniquement, d'utiliser des couches isolantes qui se forment dans ce procédé autour de chaque particule par suite de l'adjonction pendant le broyage de résine, d'huile ou ana-
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logue destinées à faire perdre oes propriétés pyrophores à oettre poudre fine.
Lors des transformations ultérieures, il faut évidemment veiller à oe que le liant au moyen duquel différentes parti- oules sont assemblées pour former des corps mécaniquement ri- gides ne risque de dissoudre chimiquement oette couche iso- lante. L'isolement des différentes particules devra donc être réalisé très généralement parlant au moyen de substances qui ne soient attaquées par le liant proprement dit ni chimique- ment, ni au point de vue physique, par exemple lors d'une aug- mentation de température. Ily a d'autre part lieu de tenir compte du fait que la couche isolante recouvrant chaque parti- oule présente un très faible coefficient de friction de sorte que la superposition très rapprochée des 'particules décrite plus loin sous 4) peut se produire facilement.
On a constaté qu'il était particulièrement avantageux de produire l'isolement des particules par oxydation dans une atmosphère oxygénée dans un four à tambour tournant et sous des températures de 300 à 400 . Dans ce procédé, comme dans tous les autres utilisant la chaleur, il y a lieu de veiller tout particulièrement à oe que le réchauffage des partioules ne s'effectue pas brusquement, mais très progressivement. Dans le procédé continu, il faut tenir oompte de ce fait par une oon- struction appropriée du four à tambour tournant, sinon, la poudre s'allume d'elle-même. Il faut par exemple laisser s'é- couler environ dix minutes en maintenant une agitation constante avant que la poudre ne puisse être portée de la température am- biante à 3000 environ .
@ Les particules peuvent également être revêtues, après coup, d'une mince pellicule d'huile, à moins que celle-ci n'ait déjà été réalisée.en cours de fabrication. L'application de la
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pellicule d'huile s'effectue en dissolvant l'huile généralement très visqueuse clans un hydrooarbure très fluide, par exemple, dans de l'essence, pour en humecter ensuite les particules de fer. On évite ainsi que la matière ne s'agglomère en formant des grumeaux, ce qui serait préjudiciable aux transforma%ions, ultérieures, par exemple, à celles qui oonsistent à faire adhérer la couche d'huile par échauffement.
4 ) cohésion étroite des particules isolées sans risque d'endommager la pellicule isolante, obtenue au moyen d'une matière isolante diélectrique à faibles pertes, très vis- queuse, et résistant à la/chaleur.
Alors que dans la fabrication de noyaux de bobines de pupinisation, on utilise presque sans exception des pressions élevées pour accroître la solidité mécanique du mélange (particules de fer et liant, poudre de gomme-laque par exemple) et pour obtenir une plus grande perméabilité, ce procédé ne peut entrer en ligne de compte pour la fabrication de noyaux magnétiques pour haute fréquence. En effet, l'emploi de pressions élevées provoquerait la perforation de la pelli- cule isolante de chacune des particules en créant ainsi des chemins pour les courants de Foucault qui augmenteraient considérablement les pertes. Conformément à l'invention, on utilise au moyen différent en disposant les particules isolée individuellement très près l'une de l'autre, mais sans pression respectivent sous l'application de pressions très modérées.
Ce résultat peut être obtenu en formant des pâtes avec les particules isolées introduites dans des matières isolantes li- quides à chaud ou encore très fluides à grande viscosité et se solidifiant par évaporation du solvant (par exemple so- lutions de nitrooellulose, de colophane, de résines, on analogue, ou encore des hydrocarbures réoemment introduits sur le marché sous le nom de "TROLITUL") le mélange étant
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alors moulé .
Un autre procédé est également très avantageux surtout dans le cas de particules irrégulières comme celles obtenues par broyage mécanique. D'après ce procédé les particules isolées introduites dans un moule sont rapproohées le plus possible en'les secouant, frappant, eto. (le cas échéan en employant des pressions mécaniques faibles) le moule étant ensuite rempli de matières isolantes dissoutes dans des solvants volatils ou se liquéfiant sous l'influence de la chaleur et destinées à remplir les intervalles. En plus des matières isolantes déjà mentionnées, on peut encore utiliser @ pour ce dernier procédé des isolants devenant très liquides sous l'influence de la chaleur, en particulier la paraffine, la oérésine ou analogue.
Pour tenir oompte de la résistance à la chaleur de la pièce terminée, il y a lieu de faire choix à cet effet de matière dont le point de fusion est situé entre 60 et 100 environ ou au-dessus .
L'application des mesures ci-dessus permet de réaliser en partant de poudres, des dimensions déjà mentionnées, et en conservant un parfait isolement de chaque particule, des corps constituée par des mélanges dont la perméabilité peut aller @ jusqu'à 18. Une perméabilité de 5 à 18 a prouvée la plus favorable, le mot "perméabilité" signifiant la valeur sur le noyau toroidal que l'on a trouvé en calculant selon la formule suivante
L . le a 4 n 2 qe dans laquelle: - @ n perméabilité
L= self-induction en oms. n = 'nombre des spires qe = sections en fer en oms2 le = 'trajet moyen des lignede force en oms.
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La matière isolante agglomérant les particules est égle- ment d'importance considérable pour l'absence de pertes dans @ ces noyaux. En effet, le noyau constitué de particules isolées séparées forme en quelque sorte un organe dans lequel d'innom- brables conducteurs électriques (les partioules) sont montées en série oapaoitivement (il en est ansi en particulier pour les chemins suivis par les oourants de Fouoault). Si la matière isolante occupant l'espace xxxt entre les particules présente des pertes diéleotriques élevées, celles-ci apparat- tront évidemment dans les pertes totales ; réussit à leur conserver une valeur réduite si l'on utilise à cet effet comme liant les matières isolantes mentionnées plus haut.
On obtient une diminution très notable de ces pertes diélectriques dans le noyau magnétique, surtout si l'on utilise la matière isolante déjà citée, dénommée TTROLITUL" présentant un angle de pertes de tg- 0,0002, et une constante diélectrique de 2,5. On a déjà dit que' ces moyens d'enrobage ne doivent attaquer la pellicule isolante ni à la température ambiance, ni à la température d'enrobage; par ailleurs, ces substances ne doivent pas varier de volume ultérieurement puisque dans ce cas les distanoes entre particules, et de oe fait la per- méabilité varieraient également. lorsqu'on utilise des solu- tions de nitrooellulose à haute visoosité qui ont donné des résultats particulièrement satisfaisants, on constate qu'il se produit à la longue un séchage complémentaire qui entraîne un rétrécissement.
Un traitement à chaud pendant plusieurs jours du noyau réalisé à l'aide de ce produit (par exemple pendant 48 heures à 70 à 80 ) aasure un séchage intégral dé- finitif et par conséquent une stabilité absolue de la pièce .
En partant des particules magnétiques obtenues par les procédés ci-dessus, on peut aussi réaliser un noyau d'aimant
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à faibles pertes en procédant de la manière suivante:- on ajoute aux particules magnétiques isolées un liant constitué par exemple par de l'essence avec une faible solution de glucose. Après séchage, les particules sont légèrement com- primées dans un moule, la pression utilisée devant être suffi- samment réduite pour que la pellicule isolante des particules ne soit pas percée; cette pression oritique peut être contrôlée et réglée très exactement en mesurant les pertes en haute fré- quenoe.
Le noyau ainsi réalisé présente une solidité mécanique déterminée, suffisante pour permettre l'introduction du noyau dans un iaolant liquide qui se'solidifie ensuite à sa surface v. en lui donnant ainsi la cohésion définitive .
Au lieu d'employer oes différentes méthodes pour la fabri- cation du noyau, on peut aussi prooéder de telle sorte que les différentes spires sont introduites dans une enveloppe ou encore disposées en faisceaux et entourées d'un moyen isolant.
Le corps ainsi constitué est alors reoouvert d'une émulsion de fer obtenue suivant les procédés ci-dessus en l'y trempant par exemple. ON peut aussi introduire le bobinage dans une petite enveloppe en matière isolante qui l'entoure complètement et en remplissant ensuite avec 1'émulsion ferreuse les inter- ' valles présentant les dimensions appropriées .
Il n'est possible d'obtenir une bobine à pertes suffi- samment faibles et utilisable en pratique, en partant d'une étoile substance que xxxx si, pour la réalisation de cette bobine, les conditions ci-après se trouvent toutes entièrement remplies :
1 ) le noyau magnétique (conducteur magnétique) doit entourer-,le bobinage (conducteur électrique) suivant le chemin le plus court.-.,
Au début on fabriquait des bobines toroidales qui, en rai-
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son de leur mode de bobinage particulier comportaient un trèe long trajet dans le fer. Or, on a constaté qu'en haute fré- quence, la longueur du trajet dans le fer ou encore le trajet dans le fer et la section du fer est particulièrement critique.
Plus le trajet dans le fer est long, à section de fer égale, plus il faut de spires pour obtenir une valeur de self-induotion déterminée; les pertes dans le cuivre augmentant, mais en même temps augmentent les pertes dans le fer qui sont à peu près proportionnelles au volume du noyau. Si pour les courants in- dustriels la condition est : maximum de fer, minimum de cuivre, cette condition sera pour des bobines de haute fréquence pour récepteurs : minimum de fer, minimum de cuivre.
La différence fondamentale des conditions que l'on rencontre dans les courants industriels et de oelles des bobinages à haute fréquence, réside dans le fait qu'en courants industriels (transforma- teurs par exemple) les dimensions et les sections sont déter- minées par la charge à supporter et par l'échauffement ad- missible pour la charge maxima tandis qu'elles sont surtout déterminées, dans les bobinages d'accord pour récepteurs, par les pertes dues à leurs effets parasites, inductifs et capacitifs, extrêmement élevés, alors qu'il n'y a pas à en- visager de charges par des intensités de champ notables, ni d'échauffement. La matière magnétique est chargée bien en-des- sous de la limite de saturation.
Grâce à l'emploi des substances magnétiques ci-dessus décrites, et de bobinages de formes appro- priées, il a été possible de pousser toujours plus loin la ré- duction des dimensions des bobinages, extrêmement désirable pour la construction des récepteurs, et en raison du prix re- lativement élevé de la matière magnétique, tout en obtenant simultanément une amélioration des qualités électriques de la
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bobine au lieu de la diminution attendue de ces qualités .La limite inférieure pour cette réduction n'est conditionnée que par les opérations de fabrication et par l'espace de bobinage minimum.
L'espace de bobinage nécessaire pouvait encore être réduit par diminution du trajet dans le fer puisqu'aveo un trajet plus court, il faut moins de spires pour une valeur de self- induction déterminée. Or, oela constitue en même temps une réduction du prix de revient puisqu'il faut moins de fil tressé.
Le fait qu'avec une substance magnétique et une forme de bobinage appropriées, une réduction constante de la longueur du trajet dans le fer permet,¯de combiner une diminution du nombre de spires et du diamètre d'enroulement, et par là même @ la diminution des dimensions et du prix de la bobine avec 1' amélioration également demandée des qualités électriques, oon- stitue une caractéristique essentielle de l'invention. Ce fait est d'ailleurs en contradiction avec l'opinion oourante d'après laquelle les dimensions et les qualité. de la bobine augmentent parallèlement.
La forme appropriée à la réalisation de oes conditions est celle d'une bobine à enveloppement dans laquelle l'enroulement est disposé sur la branche médiane d'un noyau en- veloppant à trois branches, ou encore un bobinage "en cuvette" dans lequel le noyau magnétique entoure le bobinage annulaire ou cylindrique par un anneau ou tore creux. La bobine est pré- férablement constituée par un petit enroulement de fil tressé de 1 à 2 cm de diamètre, de Oj5 à 1,5 cam de hauteur, le noyau magnétique présentant une section d'environ 0,4 à 1,5 cm2 dans le sens du flux.
20) le bobinage constituéen fil tressé doit présenter un subdivision particulièrement poussée en raison de l'accu- mulation très forte du cuivre sur un espace très réduit.
On a constaté que des fils tressés composés de 20 à 40 conducteurs isolés et toronnés de 0,04 à 0,07 mm de diamètre,
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convenaient tout particulièrement. Pour obtenir la self-induction nécessaire d'environ 200.000 cm, il faut 60 à 70 spires pour une perméabilité de 12 d'une section de fer de 1,5 cm2 et un trajet dans le fer de 5 om environ .
3 ) Le bobinage doit être disposé à une certaine distanoe (environ 1 mm) du noyau magnétique, et le support de bobinage doit être réalisé en une matière à pertes diélectriques relative- ment faibles par suite des champs de haute fréquenoe électro- statiques très concentrés .
Pour cette même raison, tous les éléments oonstruotifs de la bobine qui ne sont pas des conducteurs magnétiques ou électriques, devront présenter de faibles pertes diélectriques et une conductibilité diélectrique extrêmement réduite .
On a constaté que les éléments constructifs habituels fabriqués à l'aide des produits de condensation du phénol et du formaldéhyde et des matières moulées dites bakélite ne conviennent pas pour donner des bobines exemptes de pertes.
L'hydrocarbure plastique"TRCLITUL" déjà mentionné convien- drait bien mieux et possède de plus la propriété de se li- quéfier à chaud et d'être ainsi moulable. L'emploi de oette matière a par exemple permis de réduire de 8 à 10 % les pertes totales d'une bobine .
4 ) Le flux magnétique doit le plus possible passer dans le noyau avec un faible flux de dispersion dans l'air pour ob- tenir une résistance magnétique et un champ de dispersion plus faibles. Le bobinage "en cuvette" dans lequel le noyau d'aimant > entoure entièrement l'enroulement cylindrique que par un tore creux se rapproche le plus de cette oondition, mais le bo- binage enveloppé dans lequel 90;o environ du flux passe dans le' noyau est parfaitement utilisable dans de nombreux cas pour des raisons de fabrication plus commode .
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Les caractéristiques mentionnées plus haut permettant la construction de bobinages de bonne qualité, sont en partie exposées dans la littérature. Mais ce n'est que la combinai- son de ces deux groupes de caractéristiques qui a permis la ré- ussite pratique définitive, savoir la fabrication d'un bobinage de haute fréquence correctement construit pour laquelle on ne pouvait utiliser, pour les raisons données ci-dessus, et par suite de la faible perméabilité et des effets parasites, ca- paoitifs et inductifs importants, les prinoipes employés pour la construction de transformateurs à basse fréquence, en part- ant d'une substance fabriqués 'd'après les caractéristiques bien ,,le déterminées, partiellement connues en soi, mais dont la com- binaison est nouvelle .
Un bobinage réalisé en tenant compte de tout de qui précède h'exige pour une même tension de ré- sonanoe (mesurée au milieu de la plage) que le dixième du vo- lume et dans la plupart des cas le cinquantième du volume d' une bobine à fil tressé de même valeur sans noyau magnétique, étant admis qu'on entend par volume l'enoombrement pratique de la bobine munie de son écran et en y oomprenant le ohamp de dispersion. Cette caractéristique doit égelement servir de critérium pour le progrès technique et inventif obtenu par la combinaison ci-dessus.
On peut en déduire l'importance d' une telle bobine poux la construction d'appareils radioréoep- teurs; en effet, une telle bobine dont les dimensions varient entre celles d'une noisette et celles d'une noix, et qui ne présente pratiquement pas de champ de dispersion, peut être montée sur l'embase de l'appareil en un point quelconque et fixée de la manière la plus simple. L'emploi de oes bobines apporte donc une simplication considérable à la construction des appamils radio-récepteurs, avec une sélectivité et une
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tension de résonance accrues.
Alors qu'au point de vue purement physique, une telle bobine miniature à faible amollissement et à faible champ de dispersion constitue déjà un progrès notable, l'introdu- tion pratique de ces bobines dans l'industrie des radio-oommu- nications est encore favorisée du fait que les exigences pra- tiques ci-après se trouvent satisfaites
La valeur de la self-induction est facilement réglable lors du montage, et même ultérieurement, et oette valeur une fois règlée est constante entxe des limites très étroites indé- pendamment de tout facteur de durée, de climat, de température, 'et d'influence hygrométrique . Dans les bobines toroidales et à air, par contre, la self-induction ne peut, du fait que les enroulements sont situés à l'extérieur, être réglée qu' une seule fois,
lors du montage, et en s'aidant de dispositifs particuliers. Par ailleurs, il ne faut qu'une fraction de la quantité de la matière magnétique coûteuse nécessaire pour les bobines toroidales (15 grammes environ au lieu de 60) ; il faut moins de fil. La bobine peut être faite sur des bo- bineuses normales sous forme d'enroulements miniature à grand nombre de couches, et constitue, après bobinage, un organe constructif particulier. La bobine est facile à fixer et n' exige dans la plupart des cas de boitier formant écruant. Le prix de revient d'une bobine conforme à l'invention n'est qu'une fraction de celui de bobines équivalentes d'autres types .
Les fig. 1 et 2 du dessin annexé permettent de mieux se rendre compte du progrès technique réalisé grâce à la présente invention. La fige 1 montre une bobine à air aveo écran du type habituel dont quatre à six sont nécessaires dans un réoepteur moderne à plusieurs circuits. La fig. 2 montre à titre d'exemple une forme d'exécution d'une bobine à haute fréquenoe réalisée
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conformément 1 l'invention. Les deux bobines présentent les mêmes valeurs de self-induction (environ 200.000 cm) et les mêmes décréments logarithmiques d'amollissement (pour 1000 kilocycles : = 0,024). Dans la bobine suivant fig. 1, l'enroulement 1 reposant sur un support 2 est entouré par un boîtier 4 fermé par un fond 3 ; on sait que le boîtier a pour effet d'aooroitre l'amortissement.
Dans une bobine à haute fréquenoe, telle que celle de la fig. 2 réalisée conformément à l'invention, il ne peut y avoir d'aooroissement de l'amortissement dû à un écran, l'enroulement 1 étant disposé dans, ou entouré par la matière magnétique 5. La comperaison de ces deux bobinages représentés en grandeur d'exécution fait parfaitement voir @ le progrès considérable réalisé grâce à la présente invention.
Les fig. 3 à 6 montrent, à titre d'exemple, une forme de réalisation de l'invention. La fig. 3 montre en coupe une bobine selon la présente invention à noyau rectangulaire.
La bobine oonsiste du noyau en deux pièces 1,2, l'enroulement 4 et le corps de bobine 3 en matière isolante qui est subdi- visée en trois chambres et séparée du noyau par l'enroulement.
L'intervalle entre la bobine et l'enroulement doit être d' environ 1 mm . La fig. 4 montre la même bobine en plan et @ partiellement en coupe. La fig. 5 montre une forme similaire de bobine, le noyau étant cependant construit comme un cylindre creux qui renferme la bobine sur tous les côtés. L'enroulement 9 est disposé sur le oopps de bobine 8 qui de sa part est disposé dans une dépression des deux pièces 6 et 7 du noyau. La figo 6 montre cette bobine en plan.La fente d'air. 5 dans la fig. 3 et 10 dans la fig. 5 peut être variable en vue du réglage de la self-induction. Les bobines montrées dans les fig. 3 à 6 sont dessinées en double agrandissement et en réalités elles ne sont pas plus grandes que la bobine suivant la fig. 2.