Spoel

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

Een spoel als actuator op een stookoliebrander

Uitleg van een spoel gebruikt als elektromechanische actuator

Spoelen worden hoofdzakelijk toegepast als

• elektr(on)ische component
• transformator
• veld- of ankerwikkeling in elektromotoren
• elektromechanische actuator

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.

A - Inlaat
B - Membraan
C - Drukkamer
D - Drukontlasting
E - Solenoïde
F - Uitlaat

Spoel als stuurelement

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

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

Hierin is

${\displaystyle U_{\text{ind}}}$ de opgewekte elektrische spanning in volt

${\displaystyle I}$ de elektrische stroom in ampère

${\displaystyle L}$ de zelfinductie van de spoel in henry.

${\displaystyle N}$ het aantal windingen van de spoel

${\displaystyle {\mathit {\Phi }}_{\text{b}}}$ 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 wet 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 ${\displaystyle L}$ een stroom

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

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

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

De spanning ${\displaystyle U}$ over de spoel is tegengesteld aan de inductiespanning, dus:

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

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

${\displaystyle Z_{L}=j\omega L}$.

• 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

• Spoel als lineaire actuator (Solenoid Basics)

Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina inductor op Wikimedia Commons.

Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina solenoid op Wikimedia Commons.