Spoel (elektrotechniek)

Een spoel is een elektrisch component bestaande uit geleidende wikkelingen, meestal van koperdraad, op een spoelvorm (meestal van kunststof) waarin zich al dan niet een magnetiseerbare (weekijzeren) kern bevindt, die wel of niet beweegbaar is. Twee magnetisch gekoppelde spoelen vormen een transformator.

Werking

Als er een elektrische stroom door een draad heen loopt wordt er een magnetisch veld opgewekt. Als de draad op een buis gewikkeld wordt, dan wordt het magnetische veld gebundeld en krijgt het een richting. Als er in de buis een magnetiseerbaar materiaal (weekijzer, ferriet) wordt geplaatst, dan wordt de bundeling van het opgewekte magnetisme sterk vergroot. Omgekeerd zal de spoel een veranderlijk magnetisch veld omzetten in een elektrische spanning.

Constructie

Spoelen bestaan globaal in twee vormen: als elektr(on)ische component en als elektromechanische actuator.

Component

In de elektrotechniek worden spoelen met name gebruikt voor filtering. Storende signalen van apparaten, zoals elektromotoren en tl-verlichting kunnen worden verzwakt door het gebruik van een spoel. In de elektronica worden spoelen zeer vaak gebruikt voor afstemming en filtering. Beide zijn van belang voor het scheiden en verwerken van elektrische signalen met verschillende frequenties. In alle radio- en televisieapparatuur, maar ook in alle mobiele communicatieapparatuur wordt veelvuldig van deze component gebruikgemaakt. In de vorm van de transformator vindt de spoel ook zeer algemeen zijn toepassing.

Actuator

Als elektromechanische component wordt de spoel ook wel aangeduid als solenoïde, een letterlijke vertaling van het Engelse solenoid (spoel). De spoel is dan een actuator, een constructie die een mechanische (meest lineaire) beweging opwekt bij het aanbrengen of wegnemen van een elektrische stroom door de spoel. De beweging wordt veroorzaakt doordat de opgewekte magnetische krachten in de delen van de kern elkaar aantrekken of loslaten. Het kan hierbij gaan om een relais, waar deze beweging elektrische contacten bedient, een ventiel of klep, die een vloeibaar of gasvormig medium, zoals water, olie of stoom, doorlaat of blokkeert, of een elektromagneet, die een anker tegen zijn kern aangetrokken kan houden zolang de stroom vloeit. In pneumatische stuurventielen worden spoelen toegepast als stuurelement, het werkelijke schakelen van het medium wordt door perslucht verzorgd.

Zelfinductie

Door z'n constructie heeft een spoel een zelfinductie, wat inhoudt dat iedere stroomverandering wordt tegengewerkt door een geïnduceerde elektrische spanning volgens:

<math>U_{ind} = -L \frac{dI}{dt} = -N \frac{d\Phi_b}{dt}</math>

hierin is

U_ind de opgewekte elektrische spanning in Volt

I de elektrische stroom in ampère

L de zelfinductie van de spoel in Henry.

N het aantal windingen van de spoel

<math>\Phi_b</math> de magnetische flux in de spoel.

het minteken wijst op het tegenwerken van de spoel (inductie)

Deze formule heet de wet van Lenz, opgesteld in 1833 (of '34) door de Baltische natuurkundige Heinrich Lenz, als uitbreiding van de wet van Faraday. De beginletter L van zijn naam wordt gebruikt als symbool voor zelfinductie.

Een smoorspoel is een spoel met een grote zelfinductie L en een beperkte ohmse weerstand. Dit soort spoelen wordt vaak ingezet om hoog frequente signalen (AC) te onderdrukken in bijvoorbeeld een gelijkrichter.

Complexe impedantie

Wanneer door een spoel met zelfinductie L een stroom

<math>I=I_0\cdot e^{j\omega t}</math>

in de vorm van een enkele sinus loopt, kan de geïnduceerde spanning gevonden worden uit:

<math>U_{ind}=-L \frac{dI}{dt}=-L\cdot j\omega I_0\cdot e^{j\omega t}=-j\omega L\cdot I</math>

De spanning U over de spoel is tegengesteld aan de inductiespanning, dus:

<math>U=-U_{ind}=j\omega L\cdot I</math>.

Voor de inductantie, de complexe impedantie van de spoel, volgt dus:

<math>Z_L=j\omega L\!</math>.

Niet-ideale spoel

Een niet-ideale spoel heeft altijd een elektrische weerstand R_L die als serieweerstand kan worden weergegeven. In dat geval wordt de complexe impedantie:

<math>Z_L=R_L + j\omega L\!</math>.

Verschillende toepassingen

• Als energiebuffer. Spoelen kunnen gebruikt worden in elektronische schakelingen om hun zelfinductie. Zie Ballast en TL-lampen.

• Omzetting naar magnetisme. Soms bevat een spoel een ferromagnetische kern. Door de magnetische kern neemt de inductie toe. Een spoel wekt onder invloed van elektrische stroom een magnetisch veld op.

• Omzetting van elektrische energie naar mechanische beweging. Dit effect wordt toegepast in:
  • Kwartsuurwerken
  • Deurbellen
  • Elektromotoren
  • Relais
  • Luidsprekers
  • Loopwerken en lees/schrijfkoppen in harde schijven
  • Elektrische deursloten

• Omzetting van magnetische energie naar elektriciteit. Dit principe wordt toegepast in:
  • Generatoren/dynamo's
  • Transformatoren
  • Bobine's
  • Dynamische microfoons
  • Gitaarelementen

De zin van het magnetisch veld

Om bij het ontwerp van deze apparaten gemakkelijk de richting van het magnetisch veld en de elektrische stroom ten opzichte van elkaar te onthouden wordt de kurkentrekkerregel of de rechterhandregel toegepast.

Zie ook

• Elektromagneet
• Elektromotor
• Elektroventiel
• Transformator
• Vermogentransformator wikkeling

Externe link

• Spoel als lineaire actuator (Solenoid Basics)

Bronnen, noten en/of referenties

Bron Elementaire elektriciteitsleer Deel A, 1963, Lemaitre-Vantieghem, Uitgeverij Vyncke

  Vrije mediabestanden over inductor op Wikimedia Commons

  Vrije mediabestanden over solenoid op Wikimedia Commons