Spoel

Een spoel is een elektrische 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.

Thumb — Spoelen als elektronische componenten

Schematisch symbool van een spoel

Als er een elektrische stroom door een draad loopt, wordt rondom de draad een magnetisch veld opgewekt. Is de draad in een cilindervormige spiraal (bijvoorbeeld om een koker of een buis) tot een spoel gewikkeld, dan wordt het magnetische veld binnen de spoel gebundeld en krijgt het een richting. Als zich in de buis een magnetiseerbaar materiaal (weekijzer, ferriet) bevindt, wordt de bundeling van het opgewekte magnetisme sterk vergroot. Omgekeerd zal de spoel een veranderlijk magnetisch veld omzetten in een elektrische spanning.

Spoelen worden hoofdzakelijk toegepast als:

elektr(on)ische component
onderdelen van een transformator
veld- of ankerwikkeling in elektromotoren
elektromechanische actuator

Component

In de elektronica worden spoelen met name gebruikt voor filtering en als onderdeel van frequentiebepalende circuits voor afstemming of het genereren van signalen. Storende signalen van apparaten, zoals elektromotoren en tl-verlichting, kunnen worden verzwakt door het gebruik van een spoel.

Transformator

Een transformator bestaat in principe uit twee of meer spoelen die magnetisch gekoppeld zijn.

Veld- of ankerwikkeling

Voor het opwekken van het benodigde magnetische veld in elektromotoren worden spoelen gebruikt, meestal gewikkeld op kernen van gelamelleerd weekijzer.

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, stoom of lucht 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.

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

U_{\text{ind}}=-L{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=-N{\frac {\mathrm {d} {\mathit {\Phi }}_{\text{b}}}{\mathrm {d} t}}

.

Hierin is

U_{\text{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

{\mathit {\Phi }}_{\text{b}}

de magnetische flux in de spoel in weber.

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 inductiewet van Faraday. De beginletter L van zijn naam wordt gebruikt als symbool voor zelfinductie.

Een smoorspoel is een spoel met een grote zelfinductie en een geringe ohmse weerstand. Smoorspoelen worden vaak toegepast om wisselstroomcomponenten (AC) te onderdrukken in bijvoorbeeld een gelijkrichter.

Wanneer door een spoel met zelfinductie $L$ een stroom

I=I_{0}\cdot e^{j\omega t}

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

U_{\text{ind}}=-L{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=-L\cdot j\omega I_{0}\cdot e^{j\omega t}=-j\omega L\cdot I

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

U=-U_{\text{ind}}=j\omega L\cdot I

.

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

Z_{L}=j\omega L

.

Niet-ideale spoel

Een niet-ideale spoel heeft altijd een elektrische weerstand $R_{\text{L}}$ (inwendige weerstand) die als serieweerstand kan worden opgevat. In dat geval wordt de complexe impedantie:

Z_{L}=R_{\text{L}}+j\omega L

.

Als energiebuffer. Spoelen kunnen gebruikt worden in elektronische schakelingen om hun zelfinductie. Zie smoorspoel, tl-lampen en schakelende voeding.
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:
- 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
- Bobines
- Dynamische microfoons
- Gitaarelementen

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. De grootte (en richting) kan worden berekend met de wet van Biot-Savart of benaderd met behulp van het magnetisch moment.

Gyrator Vervanging spoel (L) door vierpool met een condensator (C) in specifieke toepassingen.
Elektromagneet
Elektromotor
Elektroventiel
Transformator
Vermogenstransformatorwikkeling
Spoelberekeningen
Smoorspoel
Orthocyclische wikkeling

(en) Spoel als lineaire actuator (Solenoid Basics)

Bron

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

Zie de categorie Coils van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.