Spole (induktans)

Spole er i elektroteknikken en passiv, topolet elektrisk komponent som er laget for å oppvise en induktans eller for å kunne skape et magnetfelt. En induktans lagrer energi i magnetfeltet som den bygger opp når den blir tilført en elektrisk strøm. Induktansens elektriske størrelse kalles induktiviteten og er en avledet størrelse i SI-systemet. Måleenheten for induktivitet er henry, forkortet H, eller i amerikansk bruk noen ganger Hy. Symbolet for en induktans er L.

Ulike spoler

Betegnelsenes røtter

Symbolet L er antakelig gitt til ære for den baltisk-tyske fysikeren Emil Lenz (1804–1865). Han er kjent for Lenz' lov. Måleenheten henry er gitt til ære for den amerikanske vitenskapsmannen Joseph Henry (1797–1878) som oppdaget elektromagnetisk induksjon.

Definisjon av induktivitetens størrelse

Hvis strømmen gjennom en induktans forandrer seg med én ampere per sekund så tilsvarer spenningen som tilføres over induktansen i volt induktiviteten i H. Blir spenningen altså 1 V er induktiviteten 1 H.

Henry er en stor måleenhet; de fleste spoler måles derfor i µH og i mH. For spesielle vitenskapelige følsomme sensorer lages det spoler med induktivitet større enn en kH.

Oppbygging

En spole dannes for det meste av en leder, oftest av kopper, som er viklet opp uten at viklingene berører hverandre elektrisk, oftest med lakkisolasjon av tråden. En rett leder oppviser også en induktans. Hvis strømmen går inn i planet, går magnetfeltet konsentrisk rundt den, med urviseren. Dette er den såkalte høyrehåndsregelen, hvor tommelen peker i strømretningen og de andre fingrene i magnetfeltets retning.

Ved å vikle opp lederen i en spole vil de enkelte feltene summeres og induktiviteten blir tilsvarende høyere enn for en rett leder med samme lengde. Induktiviteten øker med kvadratet av viklingsantallet. Hele magnetfeltet går gjennom spolens midte; feltstyrken er derfor størst her. Feltstyrken utenfor spolen blir langt svakere, da feltet spres over et mye større volum.

Induktans

Induktans er én av de to formene av reaktans, eller noe uvitenskapelig uttrykt "vekselstrømsmotstand". Den andre formen er kapasitans som dannes av en elektrisk kondensator. I prinsippet er en reaktans en tapsfri komponent. Det vil si at den ikke har elektriske energitap og ikke kan avgi varme. Den kan imidlertid lagre og avgi energi. I praksis har vikletråden imidlertid en resistans i tillegg, og denne avgir energi som $P=I^{2}\cdot R$, hvor R er resistansen i Ohm, I er strømmen i Amper og P er avgitt effekt. For en spole øker reaktansen (målt i Ohm) proporsjonalt med frekvensen; for kondensatorer avtar den med frekvensen.

Dualitet

Et kjent mekanisk system som oppviser svingningsegenskaper er et vektlodd (en masse) som er opphengt i en spiralfjær. Loddet svinger opp og ned hvis det forstyrres, altså blir trukket ut av likevekten og så slippes. Kondensatoren tilsvarer fjæra og spolen tilsvarer massen. Resistansen i spolen tilsvarer friksjonen som massen ser, som for eksempel luftmotstanden mot bevegelsen.

Permeabilitet

I midten av spolen kan det plasseres forskjellige materialer. De fleste stoffer har ingen innvirkning på induktiviteten, men de fleste stoffene som har en innvirkning, øker den. Slike stoffer kalles paramagnetiske. Det er gjerne stoffer som tiltrekkes av en magnet som har en slik virkning. Noen få stoffer minker induktiviteten noe; slike stoffer kalles diamagnetiske. Den paramagnetiske effekten kan virke til å øke induktiviteten vesentlig; diamagnetiske stoffer har oftest svært liten innvirkning. For maksimal økning av induktiviteten omsluttes hele spolen av et paramagnetisk materiale. Denne konstruksjonen kalles en kjerne, selv om den ikke bare er til stede i midten av spolen. Kjernen leder nesten hele magnetfeltet; nesten ikke noe magnetfelt trenger ut til omgivelsene. Virkningen av induktivitetsendringen av et stoff kalles permeabilitet og er en materialkonstant for stoffet.

Metning

Det finnes ingen fysiske grenser for hvor sterkt et magnetfelt kan være. Jo mer strøm vi tilfører en spole (uten kjerne), jo sterkere blir magnetfeltet fra den. Likevel setter resistansen en grense for hvor mye strøm som kan tilføres før spolen brenner opp. For å oppnå svært sterke magnetiske felt brukes derfor superledere som ikke oppviser noen resistans. Et paramagnetisk kjernemateriale hjelper i denne sammenhengen lite selv om et slikt materiale vanligvis øker feltstyrken vesentlig. Kjernematerialer har alle grenser for hvor sterke magnetfelt de kan lede. Utover en viss feltstyrke kan ikke magnetiseringen økes videre ved å tilføre mer strøm. Man sier at kjernen er gått i metning, som betyr at økning av strømmen ikke lengre fører til forsterkning av magnetfeltet.

Elektromagnet

Når en spole tilføres en likestrøm blir den magnetisk med nordpolen i én ende og sydpolen i den andre. Den oppfører seg nøyaktig som en permanentmagnet. Magnetismen kan økes ved å innføre en kjerne i midten av spolen, men en omsluttende kjerne vil lede hele feltet og ikke virke som en magnet sett utenfra. Elektromagneter finnes i et utall varianter og størrelser.

Frekvenser

Til kraftformål bruker 16 2/3 Hz for tog, 50 Hz (60 Hz i noen land) i hjem og industri og 400 Hz i fly. I fly er 400 Hz valgt for å spare vekt. Spoler og transformatorer kan gjøres fysisk mindre for samme funksjon når frekvensen øker. I audiosammenheng brukes det hørbare frekvensområdet 20 Hz til 20 kHz. For radiokommunikasjon brukes frekvenser fra 150 kHz (langbølge) til flere GHz. Induktivitetene er i praksis små for høye frekvenser og er valgt store for lave frekvenser.

Releer

Elektromagneten kan brukes til mekanisk å trekke til en vippe som igjen drar den ene delen av en kontakt slik at kontakten blir ledende. Det kan også sluttes flere kontakter samtidig og kontaktene kan også være utført vekslende slik at en kontakt åpnes og en annen sluttes. Dette kalles en vender. Kontaktene er isolerte fra spolen og kan lede langt sterkere strømmer enn spolen tilføres. Slik kan små strømmer styre store strømmer og av den grunn har releet vært en umåtelig viktig komponent. Siden det ikke finnes noen mellomting mellom på og av betraktes releet ikke som en aktiv elektronisk komponent. Releer er i dag for det meste erstattet av aktive elektroniske komponenter som MOSFET transistorer, tyristorer og triacer. Isolasjon kan i slike komponenter oppnås ved lysstyring internt.

Motorer

Elektromagnetisme utnyttes til å drive små og store elektromotorer, både for like- og vekselstrøm. I en vekselstrømsmotor dreier feltet seg i stator og rotor løper etter. I en likestrømsmotor finnes forskjellige metoder for å drive rotoren. I moderne motorer forandres likestrømmen til vekselstrøm av en elektronisk kopling. I eldre og i billige motorer brukes en såkalt kommutator på aksen til rotoren. Denne kopler stadig om feltet til rotoren mens den dreier.

Generatorer

Generatorer produserer elektrisk energi fra den tilførte rotasjonsenergien og er en slags omvendt elektromotor. Generatorer kan produsere likestrøm eller vekselstrøm, for vekselstrøm som énfase eller trefase. Noen motorer kan brukes som generatorer og noen kan det ikke. I moderne biler lager generatoren trefase vekselstrøm som likerettes av dioder.

Resiprositet

Over ble det nevnt at en tilført strøm til en spole vil føre til at den danner et magnetfelt. Det omvendte er også riktig: Når en spole tilføres et varierende magnetfelt så vil det induseres en spenning over den.

Transformator

To spoler som begge har et felles magnetfelt kalles en transformator. Transformatorer har oftest fullstendig omsluttende kjerner. Noen kjerner kan ha et kort luftgap for å minke induktiviteten noe. Siden spolene deler magnetfeltet, er de elektromagnetisk koplet; det vil si at energi som tilføres én vikling kan tas ut av den andre viklingen. En vekselspenning satt på én vikling vil vil likeledes kunne måles på den andre viklingen. Det er ofte vesentlig i transformatorens oppgaver at de to viklingene er galvanisk adskilt. En transformator hvor de to viklingene har galvanisk kontakt med hverandre, kalles en autotransformator. Transformatorer kan ha et stort tall isolerte viklinger.

Kjernetap

Dersom kjernen til en spole eller transformator består av et godt ledende metall, som jern, vil et vekslende magnetfelt føre til at det induseres strømmer i jernet i tillegg til i viklingen(e). Disse strømmene (eng.: "eddy currents") fører til uønskede tap. Tapene øker med frekvensen. Ved å dele kjernen opp i tynne plater, kalt transformatorblikk, reduseres dette problemet noe. For å få riktig små tap kan kjernen utføres som pulver holdt sammen av et lim. I modernere transformatorer støter en også på keramiske kjerner med høy permeabilitet og som ikke leder strøm.

Variabel induktivitet

Det er av og til nødvendig å kunne fininnstille en spoles eller transformators induktivitet. Dette er spesielt viktig når induktiviteten i en krets arbeider mot en kapasitet for å oppnå en gitt resonansfrekvens. Kjernen i midten av spolen får da et luftgap som kan endres med en liten skrue som inneholder kjernemateriale.

Matematiske sammenhenger

Spenningen over en spole er proporsjonal med strømendringen gjennom den som

$u(t)=L\cdot {\frac {\mathrm {d} i(t)}{\mathrm {d} t}}$

Med ord: Jo hurtigere strømmen gjennom spolen forandres, og jo større induktivitet den oppviser, jo større blir spenningen over den. Når en spole som leder strøm plutselig frakoples strømkilden så blir di(t)/dt svært stor, teoretisk uendelig. Magnetfeltet bryter plutselig sammen og det induseres derfor en stor spenning over spolen. Det vil eller kan oppstå en gnist på grunn av dette. Det trengs ca. 1000 V spenning per millimeter for at en gnist skal kunne oppstå. En coil i bilmotorer utnytter dette fenomenet, der den store spenningen ledes til tennpluggene.

For en sylindrisk, jevnt viklet spole gjelder tilnærmelsesvis

$L={\frac {\mu _{0}\mu _{r}N^{2}A}{l}}$

L = Induktivitet i henry
μ₀ = absolutt permeabiltet= 4*π*10⁻⁷ H/m, en naturkonstant
μ_r = relativ permeabilitet til materialet i kjernen. For luft og vacuum er verdien lik 1
N = antall viklinger
A = Arealet til kjernen i m²
l = lengden til spolen i m

Bruksområder

Spoler, eller induktiviteter, kan for det meste ikke dannes i integrerte kretser. Man unngår å bruke spoler og transformatorer der man kan, siden de er forholdsvis dyre, store og tunge. Det kan for eksempel lages elektroniske kretser som etterligner spoler, og slike brukes i filtre. Likevel er spoler, spesielt transformatorer, ikke til å se bort fra, spesielt når det gjelder å overføre signaler eller energi uten galvaniske forbindelser. Transformatorer og spoler brukes ofte i nettverksteknologi.

Relaterte områder

Her er en liste over en del formål som benytter en spole, men da primært for andre egenskaper enn spolens rene induktansvirkning:

• Transformator
• Relé.
• Avbøyningsspole i billedrør
• Dreiespoleinstrument
• Coil i tenningsanlegget på en bil
• Elektromagnet
• Elektromotor
• Høyttalerelement
• Magnethode i en videospiller, diskettstasjon eller platelager
• Pickup (platespiller) på en platespiller (grammofon)
• Mikrofon (dynamisk)
• Drossel i lamper for lysstoffrør