En spole (även känd som en elektrisk spole) definieras som en tvåpolig passiv elektrisk komponent som lagrar energi i form av ett magnetfält när elektrisk ström passerar genom den. Den kallas också en spole, drossel eller reaktor.
En spole är helt enkelt en trådspiral. Den består vanligtvis av en spiral av ledande material, vanligtvis isolerad koppar, virad runt en järnkärna antingen av plast eller ferromagnetiskt material; därför kallas den för en järnkärnspole.
Spolar finns vanligtvis i området från 1 µH (10-6 H) till 20 H. Många spolar har en magnetkärna gjord av ferrit eller järn inuti spiralen, vilket används för att öka magnetfältet och därmed spolens induktans.
Enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion, när en elektrisk ström som passerar genom en spole eller spiral ändras, producerar det tidsvarierande magnetfältet en e.m.f. (elektromotorisk kraft) eller spänning i den. Den inducerade spänningen eller e.m.f. över en spole är direkt proportionell till hastigheten för ändringen av den elektriska strömmen som passerar genom spolen.
Induktans (L) är en egenskap hos en induktor som motsätter sig förändringar i storlek eller riktning av strömmen som går genom den. Ju större induktans en induktor har, desto större förmåga har den att lagra elektrisk energi i form av ett magnetfält.
Induktorn i en krets motverkar ändringar i strömmen genom att inducera en spänning över sig själv som är proportionell mot hastigheten i strömmens förändring. För att förstå hur induktorn fungerar i en krets, betrakta bilden nedan.
Som visas är en lampa, en spole (induktor) och en brytare anslutna till ett batteri. Om vi tar bort induktorn från kretsen tänds lampan normalt. Med induktorn beter sig kretsen helt annorlunda.
Induktorn eller spolen har mycket lägre motstånd jämfört med lampan, så när brytaren sluts börjar de flesta strömmen att flöda genom spolen eftersom den erbjuder en väg med lågt motstånd för strömmen. Därför förväntar vi oss att lampan lyser svagt.
Men på grund av induktorns beteende i kretsen, när vi sluter brytaren, lyser lampan starkt och blir sedan dämpad, och när vi öppnar brytaren lyser glödlampan mycket klart och slocknar sedan snabbt.
Orsaken är att när spänning eller potentialskillnad appliceras över en induktor, skapar den elektriska strömmen som går genom induktorn ett magnetfält. Detta magnetfält skapar återigen en inducerad elektrisk ström i induktorn men med motsatt polaritet, enligt Lenz lag.
Denna inducerade ström på grund av induktorns magnetfält försöker motverka alla förändringar, en ökning eller minskning, i strömmen. När det magnetiska fältet är uppbyggt kan strömmen flöda normalt.
När brytaren nu öppnas håller det magnetiska fältet runt induktorn strömmen igång i induktorn tills det magnetiska fältet kollapsar. Denna ström håller lampan tänd under en viss tid även om brytaren är öppen.
Med andra ord kan induktorn lagra energi i form av ett magnetfält och den försöker motverka alla förändringar i strömmen som går genom den. Den totala effekten av detta är att strömmen genom en induktor inte kan ändras omedelbart.
Schematiska kretssymbolen för en induktor visas i bilden nedan.
Spänningen över en spole är direkt proportionell till förändringshastigheten av elektriska strömmen som går genom spolen. Matematiskt kan spänningen över spolen uttryckas som,
där,
= Momentan spänning över spolen i volt,
= Induktans i henry,
= Förändringshastighet av elektrisk ström i ampere per sekund
Spänningen över en spole beror på den energi som lagras i spolens magnetfält.
Om d.c. ström flödar genom spolen blir
noll eftersom d.c. ström är konstant med avseende på tid. Därför blir spänningen över spolen noll. Således, när det gäller d.c. storheter, fungerar spolen som en kortslutning i stillastående tillstånd.
Vi kan uttrycka strömmen genom en spole i termer av den spänning som uppstår över den enligt följande:
I ovanstående ekvation bestäms integrationsgränserna genom att ta hänsyn till tidigare historia eller initiala villkor, alltså från
.
Nu, antag att växlingsverkan sker vid t=0, vilket betyder att kontakten stängs vid t=0. Vi har då ekvationen för strömmen genom spolen som,
Vi kan dela integrationsgränserna in i två intervall som
och
. Vi vet att
är ögonblicket precis innan växlingsåtgärden sker, medan
är ögonblicket precis efter växlingsåtgärden. Därför kan vi skriva
Därför,
Här indikerar termen
värdet av induktorns ström under historisk period, vilket är inget annat än den initiala villkoret för
. Låt det betecknas med
.
Vid
kan vi skriva,
![]()
Vi antog ursprungligen att växlingsåtgärden sker vid nolltid. Därför är integrationen från
till
noll.
Därför,
Det innebär att strömmen genom spolen inte kan ändras omedelbart. Det betyder att strömmen genom en spol, före och efter växlingsåtgärden, är densamma.
Spänningskällan över en induktor vid
, dvs. vid tiden för växling av spänningen över induktorn, är idealiskt
eftersom tidsintervallet
är noll. Således fungerar induktorn som en öppen krets vid växlingen. I jämviktsläge vid
fungerar den som en kortslutning.
Om induktorn bär en initial ström I0 innan växlingshändelsen, så fungerar den vid ögonblicket
som en konstant strömkälla med värdet
, medan i jämviktsläge vid
fungerar den som en kortslutning över en strömkälla.
Induktorer i serie och parallellt beter sig liknande motstånd i serie och parallellt. Betrakta två magnetiskt kopplade spolar 1 och 2 med egeninduktans
respektive
. Låt M vara den ömsesidiga induktansen mellan de två spolarna i henry.
De två induktorerna i en elektrisk krets kan anslutas på olika sätt vilket ger olika värden av ekvivalent induktans som diskuteras nedan.
Betrakta en krets som innehåller två magnetiskt kopplade induktorer eller spolar som är anslutna i serie. Det finns två möjliga sätt att ansluta induktorerna i serie.
På ett första sätt verkar fluxerna som produceras av induktorerna i samma riktning. Då sägs sådana induktorer vara anslutna i serie-hjälp eller kumulativt.
På ett andra sätt, om strömmen vänds i den andra induktorn så att fluxerna som produceras av induktorerna står emot varandra, då sägs sådana induktorer vara anslutna i serie-motstånd eller differentiellt.
Låt den egeninduktiva induktansen för induktorn 1 vara
och den för induktorn 2 vara
. Båda induktorerna är kopplade med mutuell induktans M.
De två induktorerna eller spolar är kopplade i serie och kumulativt, som visas i bilden nedan.
I denna koppling agerar de egna och mutuella flödena för båda induktorerna i samma riktning, vilket innebär att de egna och mutuellt indusserade EMF:erna också är i samma riktning.
Därför,
Den egna indusserade EMF:n i induktor 1, ![]()
Den mutuellt indusserade EMF:n i induktor 1, ![]()
Den egna indusserade EMF:n i induktor 2, ![]()
Mutuellt inducerat e.m.f. i spolen 1,![]()
Totalt inducerat e.m.f. i kombinationen,
Om
är den ekvivalenta induktansen för de två spolarna i en seriekoppling, ges det inducerade e.m.f. i kombinationen av,
Vid jämförelse av ekvationer (1) och (2) får vi,
Ovanstående ekvation ger den ekvivalenta induktansen för två additivt kopplade serieinduktorer eller spolar.
Om det inte finns någon ömsesidig induktans mellan de två spolarna (dvs. M = 0), så gäller
Betrakta en krets som innehåller två ömsesidigt kopplade induktorer eller spolar anslutna i serie så att de flöden som produceras av de två induktorerna står varandra emot, som visas i bilden nedan.
Eftersom flödena står varandra emot kommer tecknet för den ömsesidigt inducerade emf att vara motsatt till den självinducerade emf. Därför,
Självinducerad emf i induktor 1, ![]()
Gemensamt inducerad emk i induktor 1, ![]()
Självinducerad emk i induktor 2, ![]()
Gemensamt inducerad emk i induktor 1, ![]()
Totalt inducerad emk i kombinationen,
Om
är den ekvivalenta induktansen för de två induktorerna i en seriekoppling med motsatt riktning, ges den inducerade emk i kombinationen av,
Genom att jämföra ekvationer (4) och (5) får vi
Ovanstående ekvation ger den ekvivalenta induktansen för två spolar som är anslutna i serie opposition eller differentiell anslutning.
Om det inte finns någon ömsesidig induktans mellan de två spolarna (dvs. M = 0), så gäller
Två spolar har självinduktanser på 10 mH och 15 mH och ömsesidig induktans mellan de två spolarna är 10 mH. Hitta den ekvivalenta induktansen när de är anslutna i serie stödjande.
Lösning:
Givna data: L1 = 10 mH, L2 = 15 mH och M = 10 mH
Enligt formeln för seriekoppling i samma riktning,
Med hjälp av ekvationen får vi den ekvivalenta induktansen 45 mH när de är kopplade i serie i samma riktning.
Två spolar har självinduktanser på 10 mH och 15 mH och den ömsesidiga induktansen mellan de två spolarna är 10 mH. Hitta den ekvivalenta induktansen när de är kopplade i serie i motsatt riktning.
Lösning:
Givna data: L1 = 10 mH, L2 = 15 mH och M = 10 mH
Enligt formeln för seriekoppling i motsatt riktning,
Genom att använda ekvationen får vi den ekvivalenta induktansen 5 mH när de är anslutna i serie motstående.
De två induktorerna kan kopplas i parallell så att
Den mutuellt inducerade spänningen hjälper till med de självinducerade EMF:erna, dvs. parallellt hjälpande anslutning
Den mutuellt inducerade spänningen motsätter de självinducerade EMF:erna, dvs. parallellt motsättande anslutning
När två induktorer är kopplade i parallell hjälpande, hjälper den mutuellt inducerade spänningen till med de självinducerade EMF:erna som visas i figuren nedan.
Låt i1 och i2 vara strömmarna som flödar genom induktorerna L1 och L2 och I vara det totala strömmet.
Således,
Därför,
I varje spole uppstår två EMF. En på grund av självinduktion och den andra på grund av mutuell induktion.
Eftersom spolerna är anslutna parallellt, är EMF lika.
Därför,
Nu sätter vi ekvation (9) i ekvation (8), får vi
Om
är den ekvivalenta induktansen för parallellkopplade induktorerna, kommer det inducerade emf i den att vara
Detta är lika med det inducerade emf i någon av spolarne, det vill säga,
Ersätt värdet av
från ekvation (10) i ekvation (13), får vi,
Nu, genom att sätta ekvation (11) lika med ekvation (14),
Ovanstående ekvation ger den ekvivalenta induktansen för två induktorer som är anslutna i parallell-stödjande eller kumulativ anslutning.
Om det inte finns någon ömsesidig induktans mellan de två spolar (dvs. M = 0), så gäller att,
När två induktorer är anslutna i parallell motstånd motsätter den måttsamt inducerade emf de självinducerade EMF.
Som visas i bilden nedan är de två induktorerna anslutna i parallell motstånd eller differentiellt.
På samma sätt som för parallell hjälpanslutning kan det bevisas att,
Ovanstående ekvation ger den ekvivalenta induktansen för två induktorer anslutna i parallell motstånd eller differentiellt.
Om det inte finns någon måttsam induktans mellan de två spolar (dvs. M = 0), då,
Två spolarer har självinduktanser på 5 mH och 10 mH och mutuell inductans mellan de två är 5 mH. Hitta den ekvivalenta induktansen när de är anslutna parallellt och hjälpsamt.
Lösning:
Givna data: L1 = 5 mH, L2 = 10 mH och M = 5 mH
Enligt formeln för parallella hjälpsamma,
Genom att använda ekvationen får vi den ekvivalenta induktansen 5 mH när de är anslutna parallellt och hjälpsamt.
Två spolar har självinduktanser på 5 mH och 10 mH och den ömsesidiga induktansen mellan dem är 5 mH. Hitta den ekvivalenta induktansen när de är anslutna parallellt i motsatt riktning.
Lösning:
Givna data: L1 = 5 mH, L2 = 10 mH och M = 5 mH
Enligt formeln för parallell motstående anslutning,
Genom att använda ekvationen får vi den ekvivalenta induktansen 1 mH när de är anslutna parallellt i motsatt riktning.
När det magnetiska fältet från en spol korsar eller länkar varv av en annan grannspol sägs de två spolarna vara magnetiskt kopplade. På grund av kopplade spolar eller spolar existerar en ömsesidig induktans mellan de två spolarna.
I kopplade kretsar sker energioverföring från en krets till en annan när någon av kretsarna är uppspänd. En tvåväggstransformator, en autotransformator, och en induktionsmotor är exempel på magnetiskt kopplade spolar eller kretsar.
Överväg två magnetiskt kopplade induktorer eller spolar 1 och 2 med induktanser L1 respektive L2. Låt M vara den ömsesidiga induktansen mellan de två spolarna.
Effekten av ömsesidig induktans är att antingen öka (L1 + M och L2 + M) eller minska (L1 – M och L2 – M) induktansen för de två spolarna, beroende på arrangemanget av de två spolarna eller induktorerna.
När de två spolarna är så arrangerade att deras flöden stödjer varandra, ökar då induktansen för varje spol med M, dvs. den blir L1 + M för spol 1 och L2 + M för spol 2. Detta beror på att det totala flödet som länkar varje spol är mer än dess eget flöde.
När de två spolarna är så arrangerade att deras flöden motsätter varandra, minskar då induktansen för varje spol med M, dvs. den blir L1 – M för spol 1 och L2 – M för spol 2. Detta beror på att det totala flödet som länkar varje spol är mindre än dess eget flöde.
Vi vet att en ändring av strömmen i en spol alltid åtföljs av produktion av ömsesidigt inducerad e.m.f. i den andra spolen.
Ömsesidig induktans definieras som förmågan hos en spol (eller krets) att producera en e.m.f. i en närliggande spol (eller krets) genom induktion när strömmen i den första spolen ändras.
Med andra ord, egenskapen hos två spolar genom vilken var och en motverkar någon ändring av strömmen i den andra kallas för ömsesidig induktans mellan de två spolarna. Denna motverkan uppstår eftersom en förändrad ström i en spol producerar en ömsesidigt inducerad e.m.f. i den andra spolen, vilket motverkar en ändring av strömmen i den första spolen.
Ömsesidig induktans (M) kan definieras som flödeslänkningarna per enhet ström i den andra spolen.
Matematiskt,
Där,
= Ström i första spolen
= Flux som länkar den andra spolen
= Antal vändningar på den andra spolen
Mutuell induktans mellan två spolar är 1 henry om strömmen ändras med en hastighet av 1 ampere per sekund i en spol vilket inducerar ett e.m.f. på 1 V i den andra spolen.
Kopplingskoefficienten (k) mellan två spolar definieras som andelen magnetisk flux som produceras av strömmen i en spol som länkar den andra.
Kopplingskoefficienten är en viktig parameter för kopplade kretsar för att bestämma mängden koppling mellan de induktivt kopplade spolar.
Matematiskt kan kopplingskoefficienten uttryckas som,
Där,
L1 är den egna induktansen i den första spolen
L2 är den egna induktansen i den andra spolen
M är den mutuella induktansen mellan de två spolarna
Kopplingskoefficienten beror på den mutuella induktansen mellan de två spolarna. Om kopplingskoefficienten är högre så kommer den mutuella induktansen också att vara högre. Två induktivt kopplade spolar är länkade genom magnetflöde.
När hela flödet från en spol länkar den andra, är kopplingskoefficienten 1 (dvs 100%), då sägs spolarna vara tätt kopplade.
Om endast hälften av det upprättade flödet i en spol länkar den andra, är kopplingskoefficienten 0.5 (dvs 50%), då sägs spolarna vara löst kopplade.
Om flödet från en spol inte alls länkar den andra spolen, är kopplingskoefficienten 0, och spolarna sägs vara magnetiskt isolerade från varandra.
Kopplingskoefficienten kommer alltid att vara mindre än ett. Den beror på de material som används i kärnan. För luftkärnor kan kopplingskoefficienten vara 0.4 till 0.8 beroende på avståndet mellan de två spolarna, och för järn eller ferritkärnor kan den vara så hög som 0.99.
Källa: Electrical4u.
Utrop: Respektera originaltexten, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för borttagning.