ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า

เส้นสนามแม่เหล็ก(สีแดง)ของขดลวดที่มีกระแส(I)ไหลผ่านจะพาดผ่านศูนย์กลางของขดลวดและหนาแน่นสะสมบริเวณนั้น

ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า หรือ (อังกฤษ: electromagnetic coil) เป็นตัวนำไฟฟ้าอย่างหนึ่งเช่น ลวดในรูปของขดลวด(อังกฤษ: coil), รูปเกลียวก้นหอยหรือเกลียวสปริง ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าถูกใช้ในวิศวกรรมไฟฟ้า, ในการใช้งานที่กระแสไฟฟ้าจะมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก, ในอุปกรณ์เช่นตัวเหนี่ยวนำ, แม่เหล็กไฟฟ้า, หม้อแปลง, และขดลวดเซ็นเซอร์ เป็นได้ทั้งกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านลวดของคอยล์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก หรือตรงกันข้าม สนามแม่เหล็กภายนอกที่แปรตามเวลาพาดผ่านด้านในของขดลวดสร้าง EMF(แรงดัน)ในตัวนำ

กระแสไหลในตัวนำใดๆจะสร้างสนามแม่เหล็กวงกลมรอบตัวนำตามกฎของแอมแปร์ ประโยชน์ของการใช้รูปทรงแบบขดม้วนก็คือมันจะเพิ่ม ความแรงของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแส สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแต่ละรอบที่แยกจากกันของลวดตัวนำทั้งหมดผ่านศูนย์กลางของขดลวดและซ้อนกัน(อังกฤษ: superpose) เพื่อสร้างสนามที่แข็งแกร่งที่นั่น จำนวนรอบของขดลวดยิ่งมาก สนามที่ถูกสร้างขึ้นก็ยิ่งแรง ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กภายนอกทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในตัวนำตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ แรงดันไฟฟ้า ที่ถูกเหนี่ยวนำสามารถทำให้เพิ่มขึ้นได้โดยพันลวดให้เป็นขดเพราะเส้นสนามจะตัดเส้นลวดหลายครั้ง

ทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไหลในขดลวดจะถูกกำหนดโดยกฎมือด้านขวา ถ้านิ้วมือของมือข้างขวาถูกกำรอบแกนแม่เหล็กของขดลวดในทิศทางของการไหลของกระแสในเส้นลวด, นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปในทิศทางที่เส้นสนามแม่เหล็กพาดผ่านขดลวด

มีขดลวดหลายประเภทที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

ลวดและแทป

แผนภาพแสดงรูปแบบทั่วไปของคอยล์ของหม้อแปลง

ลวดหรือตัวนำที่สร้างเป็นคอยล์ถูกเรียกว่าขดลวด หลุมตรงกลางของขดลวดเรียกว่าพื้นที่แกน(อังกฤษ: core)หรือแกนหมุน(อังกฤษ: axis)แม่เหล็ก แต่ละวงลูปที่พันเรียกว่ารอบ ในขดลวดที่ลวดสัมผัสกัน ลวดต้องถูกทำให้เป็นฉนวนโดยการเคลือบด้วยสารที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น พลาสติกหรือสีเคลือบผิวหน้า เพื่อป้องกันกระแสไหลข้ามระหว่างรอบของลวด ขดลวดมักจะถูกห่อรอบ"คอยล์ฟอร์ม"ที่ทำจากพลาสติกหรือวัสดุอื่นเพื่อยึดให้อยู่กับที่ ปลายของลวดจะถูกนำออกมาและติดอยู่กับวงจรภายนอก ขดลวดอาจมีการเชื่อมต่อไฟฟ้าเพิ่มเติมตามความยาวของมัน จุดแยกเหล่านี้จะเรียกว่า "แทป" ขดลวดที่มีแทปเพียงจุดเดียวตรงกลางของความยาวของมันเรียกว่า center-tap คอยล์สามารถมีมากกว่าหนึ่งขดลวด, เป็นฉนวนแยกจากกัน ถ้ามีสองขดหรือมากกว่ารอบแกนหมุนแม่เหล็กทั่วไป ลวดจะกล่าวว่าเป็น"คู่เหนี่ยวนำ"หรือ"คู่แม่เหล็ก" กระแสที่แปรตามเวลาที่ไหลในขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาที่พาดผ่านขดลวดอื่น ซึ่ง จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่แปรตามเวลาในขอลวดอื่นนั้น คอยล์นี้เรียกว่า "หม้อแปลง"

แกนแม่เหล็ก

ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นจำนวนมากมีแกนเป็นแม่เหล็ก, หรือชิ้นส่วนของวัสดุ ferromagnetic เช่นเหล็ก ในใจกลางของมันเพื่อเพิ่มสนามแม่เหล็ก กระแสผ่านขดลวดจะทำให้วัสดุนั้นเป็นแม่เหล็กและสนาม แม่เหล็กที่เกิดจากวัสดุนั้นจะผสมไปกับสนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยขดลวด ขดลวดนี้จะถูกเรียกว่า คอยล์แกน ferromagnetic หรือ คอยล์แกนเหล็ก แกน ferromagnetic สามารถเพิ่มสนามแม่เหล็กของขดลวดได้หลายร้อยหรือหลายพันเท่ามากกว่าถ้ามันไม่มีแกน คอยล์แกนเฟอร์ไรต์เป็นความหลากหลายของคอยล์ที่มีแกนกลางทำจากเฟอร์ไรต์ซึ่งเป็นสารประกอบเซรามิก ferrimagnetic ขดลวดเฟอร์ไรท์มีความสูญเสียต่ำที่ความถี่สูง

คอยล์ที่ไม่มีแกน ferromagnetic เรียกว่าคอยล์แกนอากาศ ซึ่งรวมถึงคอยล์ที่พันบนพลาสติกหรือรูปแบบที่ไม่ใช่สารแม่เหล็กอื่นๆ, เช่นเดียวกับคอยล์ที่จริงๆแล้วมีช่องอากาศอยู่ภายในขดลวดของมัน

ชนิดของขดลวด

ขดลวดสามารถถูกจำแนกตามความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่มันถูกออกแบบมาเพื่อทำงานด้วย ได้แก่:

• ขดลวด DC ที่ทำงานด้วยกระแสตรงคงที่ในขดลวดของมัน
• ขดลวดความถี่เสียงออดิโอ (AF) ตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงที่ทำงานกับกระแสสลับในช่วงความถี่เสียงที่น้อยกว่า 20 กิโลเฮิร์ทซ์
• ขดลวดความถี่วิทยุ (RF) ตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงที่ทำงานกับกระแสสลับในช่วงความถี่วิทยุ ที่สูงกว่า 20 กิโลเฮิร์ทซ์

ขดลวดก็สามารถถูกจำแนกตามฟังก์ชั่นของมัน ได้แก่

ขดลวดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าบนสเตเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ

ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า

บทความหลัก: แม่เหล็กไฟฟ้า

ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็กสำหรับงานภายนอกบางอย่าง, มักจะใช้กับกลไกเพื่อบังคับให้ทำอะไรบางอย่าง ประเภทที่ค่อนข้างชัดเจนได้แก่

• โซลินอยด์ - ใช้เพื่อเปิดปิดวาวล์ ที่รู้จักดีได้แก่โซลินอยด์วาวล์, นูเมติกวาวล์, ไฮโดรลิกวาวล์เป็นต้น
• ขดลวดมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า - แม่เหล็กไฟฟ้าแกนเหล็กบนโรเตอร์หรือสเตเตอร์ของ มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ที่ทำหน้าที่หมุนเพลา(มอเตอร์) หรือสร้างกระแสไฟฟ้า(เครื่องกำเนิดไฟฟ้า)
  • ขดลวดสนาม - ขดลวดแกนเหล็กซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีอย่างต่อเนื่องเพื่อจะกระทำบนขดลวดอาเมเจอร์
  • ขดลวดอาเมเจอร์ - ขดลวดแกนเหล็กที่ถูกกระทำโดยสนามแม่เหล็กของขดลวดสนามเพื่อสร้างแรงบิด (มอเตอร์) หรือเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้า(เครื่องกำเนิดไฟฟ้า)
• ขดลวด Helmholtz, ขดลวด Maxwell - ขดลวดแกนอากาศที่ใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กและการหักล้างสนามแม่เหล็กภายนอกเช่นสนามแม่เหล็กโลก
• ขดลวด degaussing - ขดลวดที่ใช้ในการล้างอำนาจแม่เหล็กในชิ้นส่วน
• วอยซ์คอยล์ - ขดลวดที่ใช้ใน moving-coil ของลำโพง, ถูกแขวนระหว่างขั้วของแม่เหล็ก เมื่อสัญญาณเสียงถูกส่งผ่านขดลวด มันจะสั่นซึ่งเป็นการขยับกรวยลำโพงที่ติดอยู่ด้วยกันเพื่อสร้าง คลื่นเสียง

ตัวเหนี่ยวนำ

บทความหลัก: ตัวเหนี่ยวนำ

ตัวเหนี่ยวนำหรือ reactor มีขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็กซึ่งจะปฏิสัมพันธ์กับขดลวดตัวมันเองที่ เหนี่ยวนำเกิด back EMF ซึ่งต่อต้านกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสในขดลวด ตัวเหนี่ยวนำถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้าในการจัดเก็บพลังงานชั่วคราวหรือต่อต้านการเปลี่ยนแปลงกระแส มีไม่กี่ประเภทดังนี้

• คอยล์ถัง - ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในวงจรการจูน
• โช๊ค - ตัวเหนี่ยวนำใช้เพื่อกั้น AC ความถี่สูงในขณะที่ยอมให้ AC ความถี่ต่ำผ่านได้
• คอยล์โหลด - ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้เพื่อเพิ่มการเหนี่ยวนำของเสาอากาศเพื่อให้มันเรโซแนนท์, หรือเพื่อให้กับสายเคเบิลเพื่อป้องกันการบิดเบือนของสัญญาณ
• Variometer - ตัวเหนี่ยวนำปรับได้ ประกอบด้วยสองขดลวดต่ออนุกรมกัน, ขดลวดอยู่กับที่ด้านนอกและขดลวดที่สองอยู่ข้างในซึ่งสามารถหมุนเพื่อให้แกนหมุนแม่เหล็กของพวกมันมีทิศทางเดียวกันหรือตรงกันข้าม
• หม้อแปลง flyback - แม้ว่าจะถูกเรียกว่าหม้อแปลง จริงๆแล้วมันเป็นตัวเหนี่ยวนำที่ทำหน้าที่ จัดเก็บพลังงานในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและวงจรกวาดแนวนอนของ CRT ในโทรทัศน์และจอมอนิเตอร์

reactor แบบอิ่มตัวได้ ในหลักการ กระแส AC ผ่านหลอดไฟ L สามารถถูกควบคุมโดยการอิ่มตัวของแกนเหล็กด้วยกระแสตรงที่ถูกควบคุมโดยตัวต้านทานปรับได้ R แบตเตอรี B และ AC source G

• reactor แบบอิ่มตัวได้ - ตัวเหนี่ยวนำแกนเหล็กที่ใช้ควบคุมกำลังไฟ AC โดยการปรับความอิ่มตัวของแกนด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงในขดลวดสำรอง
• บัลลาสต์เหนี่ยวนำ - ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในวงจรหลอดไฟดีสชาร์จก๊าซ เช่นหลอดฟลูโอเรสเซนท์, เพื่อจำกัดกระแสผ่านหลอดไฟ

หม้อแปลง

บทความหลัก: หม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่มีขดลวดสองชุดหรือมากกว่า เป็นชุดแบบคู่(หรือเป็นช่วงๆในส่วนของชุดขดลวดใหญ่ชุดเดียว) กระแสที่แปรตามเวลาในขดลวดหนึ่ง (เรียกว่าขดปฐมภูมิ) จะสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในขดลวดอีกขดหนึ่ง (เรียกว่าขอทุติยภูมิ) มีไม่กี่ประเภทดังนี้

• Autotransformer - หม้อแปลงไฟฟ้ามีเพียงขดลวดเดียว ส่วนอื่นๆของขดลวดเข้าถึงได้ด้วยแทปที่ทำหน้าที่เป็นขดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า
• หม้อแปลงแกน toroid - แกนอยู่ในรูปโดนัทซึ่งเป็นรูปทรงที่ใช้กันทั่วไปเพราะมันลดการรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็ก เป็นผลให้เกิด EMI น้อย
• ขดลวดเหนี่ยวนำหรือขดลวดสั่น - เป็นคอยล์จุดระเบิดแรงดันสูงของรถยนต์สมัยแรก ใช้กลไกการขัดขวางการสั่นสะเทือนเพื่อหยุดกระแสหลักที่สร้างการสปาร์กซ้ำๆในแต่ละจังหวะชักของกระบอกสูบ
  • คอยล์จุดระเบิด - ขดลวดเหนี่ยวนำที่ใช้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในเพื่อสร้างพัลส์ของไฟฟ้าแรงสูงที่จะยิงหัวเทียนที่เริ่มต้นการเผาไหม้เชื้อเพลิง
• Balun - หม้อแปลงไฟฟ้าที่แมทช์สายส่งที่สมดุลกับอันที่ไม่สมดุล

ขดลวดเหนี่ยวนำ bifilar แบบแบนของ Nikola Tesla

• ขดลวด Bifilar - ขดลวดที่พันด้วยลวดถักสองเส้นขนานกันเว้นระยะอย่างใกล้ชิด ถ้ากระแส AC ไหลในทิศทางเดียวกัน ฟลักซ์แม่เหล็กจะรวมกัน แต่ถ้ากระแสเท่ากันไหลในทิศทางตรงข้าม ฟลักซ์ที่ตรงข้ามกันจะหักล้างกัน เป็นผลให้ฟลักซ์ในแกนเป็นศูนย์ จึงไม่มีแรงดันไฟฟ้าจะถูก เหนี่ยวนำในขดลวดที่สามบนแกน ขดลวดเหล่านี้ถูกใช้ในเครื่องมือและอุปกรณ์เช่นในตัวขัดขวางการผิดปกติของระบบกราวด์ พวกเขายังถูกใช้ในการตัวต้านทานแบบลวดพันที่มีการเหนี่ยวนำต่ำ สำหรับการใช้งานที่ความถี่ RF อีกด้วย
• หม้อแปลงเสียงออดิโอ - หม้อแปลงที่ใช้กับสัญญาณเสียง พวกมันจะถูกใช้สำหรับการแมทชิ่งอิมพีแดนซ์

ขดลวดแบบไฮบริดถ้าอินพุทเข้าที่ W จะออกได้สองทางคือ X กับ Y ออกทาง Z ไม่ได้

• • ขดลวดไฮบริด - หม้อแปลงเสียงออดิโอชนิดพิเศษ มี 3 ขดลวด ที่ใช้ในวงจรโทรศัพท์เพื่อแบ่งสัญญาณออกเป็นสองทาง หรือใช้ในไมโครโฟนเพื่อไม่ให้เกิด sidetalk

ขดลวด transducer

ขดลวดเซ็นเซอร์ของเครื่องตรวจจับโลหะ

ขดลวดเหล่านี้เป็นใช้ในการแปลสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือแปลกลับกัน ไม่กี่ประเภทดังนี้

• ขดลวดเซนเซอร์หรือรับสัญญาณ - ขดลวดเหล่านี้ถูกใช้รับรู้สนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาภายนอก
• เซ็นเซอร์การเหนี่ยวนำ - ขดลวดซึ่งรับรู้ความรู้สึกเมื่อแม่เหล็กหรือวัตถุเหล็กผ่านไปใกล้มัน
• หัวบันทึก - ขดลวดที่ใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กเพื่อเขียนข้อมูลไปยังสื่อเก็บข้อมูลแม่เหล็ก เช่นเทปแม่เหล็กหรือฮาร์ดดิสก์ ในทางกลับกันก็ยังใช้ในการอ่านข้อมูลในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในสื่อ
• ขดลวดเหนี่ยวนำความร้อน - ขดลวด AC ถูกใช้ให้ความร้อนกับวัตถุโดยการเหนี่ยวนำให้เกิด กระแสไหลวน(อังกฤษ: eddy current)ในวัตถุนั้น กระบวนการที่ถูกเรียกว่าการทำความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ
• เสาอากาศแบบ Loop - ขดลวดซึ่งทำหน้าที่เป็นเสาอากาศวิทยุ, เพื่อแปลงคลื่นวิทยุให้เป็นกระแสไฟฟ้า
• ขดลวด rogowski - ขดลวดแบบโดนัท นำมาใช้เป็นอุปกรณ์การวัด AC
• ตัวรับกีต้าร์ - ขดลวดที่ใช้ผลิตสัญญาณเสียงออกในกีตาร์ไฟฟ้าหรือเบสไฟฟ้า
• ประตูฟลักซ์ - ขดลวดเซ็นเซอร์ที่ใช้ในเครื่องวัดสนามแม่เหล็ก
• ตลับหีบเสียงแม่เหล็ก - เซ็นเซอร์ในเครื่องเล่นแผ่นบันทึกที่ใช้ขดลวดเพื่อแปลการสั่นสะเทือนของเข็มเป็นสัญญาณเสียงในการเล่นแผ่นบันทึกแบบไวนิล

นอกจากนี้ยังมีประเภทของขดลวดที่ไม่เข้ากลุ่มกับประเภทข้างบนนี้

ผลของความถี่

ขดลวดความถี่สูงทำงานที่หลายสิบหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์มักจะมีลวดที่ทำจากลวดฝอยถัก Litz เพื่อลด skin effect และการสูญเสียผลใกล้ชิด. หม้อแปลงขนาดใหญ่ใช้ลวดทองแดงฝอยหลายเกลียวเช่นกันเนื่องจากแม้จะใช้ความถี่พลังงานต่ำ การกระจายไม่สม่ำเสมอของกระแสก็ยังมีอยู่ในขดลวดกระแสสูง. แต่ละเส้นของลวดฝอยเป็นฉนวนซึ่งกันและกัน และในเกลียวถักจะถูกจัดเรียงเพื่อให้บางจุดในขดลวดหรือตลอดทั้งเส้นขดลวด มีความสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดความสมคุลย์ในการสับเปลี่ยนการไหลของกระแสในเส้นลวดฝอยแต่ละเส้น ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียกระแสไหลวนในตัวขดลวดเอง เส้นลวดฝอยตีเกลียวนี้ยังมีความยืดหยุ่นมากกว่าตัวนำที่เป็นของแข็งในขนาดที่ใกล้เคียงกันและง่ายต่อการผลิตอีกด้วย

ลวดจากขดลวดเหนี่ยวนำสัญญาณลดการรั่วไหลและความจุจรจัดในการปรับปรุงการตอบสนองความถี่สูง ขดลวดจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนและส่วนเหล่านี้ในการสลับกันระหว่างส่วนของขดลวดอื่นนน ๆ

อ่านเพิ่มเติม

• ตัวเหนี่ยวนำ