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線圈是指用電導體(例如電線)繞成多圈螺旋形的裝置[1][2]。電機工程學中有許多領域會用到線圈,會用在電流和磁場有交互作用的應用中,像電動機、發電機、電感元件、電磁鐵、變壓器等電子設備,或是磁共振成像機器中用到的偵測線圈。線圈上的電流會產生磁場,若線圈附近有磁場,使線圈中心有隨時間變化的磁場,也會讓線圈上產生電動勢(電壓)。
依照安培環路定律,導體上的電流會產生圓形分佈的磁場[3]。線圈的好處是可以提昇電流所產生的磁場強度。每一圈導體產生的磁場都會通過線圈中心,而且會疊加,因此會產生較大的磁場[3]。線圈的圈數越多,磁場就越強。另外,根據法拉第電磁感應定律,變化的外加磁通會在導體(例如電線)上感應電壓[3][4]。若將導體配置成線圈,磁力線會多次通過電路,因此感應電壓會增加[3]。
線圈產生磁場的方向可以用右手定則來確認。若右手的四隻手指抓住線圈,而手指是往電流流動的方向,則拇指指向方向即為通過線圈磁場的方向。
在電機和電子設備中,有許多不同種類的線圈。
組成線圈的電線或是導體稱為繞組(winding)[5]。線圈中心的部份稱為磁芯 (core)或磁軸(magnetic axis)[6]。每一圈的導線稱為一匝[2]。繞組會用漆包線製成,各圈導體會互相接觸,其外層需要包覆不導電的絕緣體(如聚合物),以免各圈之間短路[2]。導線的終端會拉出來,接到其他外部電路,除了頭尾兩端外,繞組中也可能有其他部份有端子可以接到外部電路,這稱為抽頭(taps)[7]。若繞組中間處有一個抽頭,則稱為中心抽頭(center-tapped)[8]。
線圈中可能會有多組彼此絕緣的繞組。若在同一個磁軸上有二個或多個繞組,這些繞組稱為電感耦合(inductively coupled)或磁耦合(magnetically coupled)[9]。一個繞組上的時變電流會產生時變磁場,並傳遞到其他的繞組,讓其他繞組產生時變電壓,這就是變壓器[10]。產生磁場的繞組稱為一次繞組(primary winding),其他感應電壓的繞組稱為二次繞組(secondary winding)。
許多的線圈裏會有磁芯,是為了增加磁場,在線圈中間置入的鐵磁性或亞鉄磁性材料[11]。通過線圈的電流會讓磁芯磁化,磁化的磁芯所產生的磁場會和線圈產生的磁場疊加[12]。鐵磁性磁芯可以讓磁場和電感提昇數百到數千倍。鐵氧體磁芯是指由鐵氧體(亞鐵磁性陶瓷材料)為材料的磁芯的通稱[13]。鐵氧體磁芯在高頻時的鐵損較低。
若線圈內沒有磁芯,則稱為空心線圈或air-core coil[14],這也包括將塑膠或其他沒有磁性的物質放在線圈中央,其導磁效果和線圈內只有空氣是一樣的。
線圈可以以其設計運作的電流頻率來分類,這也會影響線圈選用的磁芯材料:
線圈也可以依其功能來分類,以下即為一種分類,不過也有些線圈無法放在這些分類裏。
電磁鐵是用來產生磁場的線圈,常用在要用磁力驅動其他物體的應用[15],或是要抵消已有的背景磁場[16]。以下是一些特殊的電磁鐵:
電感元件或電抗器是會產生磁場,使線圈本身感應反電動勢,抵抗線圈上電流變化的元件。電感元件也是電子電路中的元件之一,用來抵抗電流變化或是暫時儲能。以下是一些特殊的電感元件:
變壓器是由數個磁耦合的繞組組成的電子設備。其中一次側繞組上的時變電流會產生磁場,並且讓其他繞組(稱為二次側繞組)上感應電壓。以下是一些變壓器的分類:
像電動機和發電機的電機其中有一組或多組繞組,配合旋轉磁場在動能和電能之間進行轉換。多半會有一個繞組傳遞機器大部份的動力(電樞),另一個繞組提供磁場(場線圈),若繞組是在轉子上,會有電刷或滑環連接繞組和外部電路。
在異步電動機中,轉子電流的產生是因為轉子轉速略慢於定子產生旋轉磁場,因此產生的電流。
傳感器線圈是在時變磁場訊號和電子信號之間進行轉換的線圈。分類如下:
繞組技術是製作線圈繞組的相關技術,會配合應用需求,設計繞組的外形和尺寸。繞組的設計會大幅受到電感、品質因子、工作頻率、絕緣強度以及期望磁場強度等參數的影響。繞組技術可以依繞組的種類以及外形來分為幾組。繞組技術的量產會用自動化機械。
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