ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า

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

เส้นสนามแม่เหล็ก(สีแดง)ของขดลวดที่มีกระแส(I)ไหลผ่านจะพาดผ่านศูนย์กลางของขดลวดและหนาแน่นสะสมบริเวณนั้น

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

อ้างอิง

1. Stauffer, H. Brooke (2005). NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms. Jones and Bartlett Learning. p. 36. ISBN 0877655995.
2. Laplante, Phillip A. (1999). Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer. pp. 114–115. ISBN 3540648356.
3. Arun, P. (2006). Electronics. Alpha Sciences International Ltd. pp. 73–77. ISBN 1842652176.
4. Newnes 2002, p. 129
5. Stauffer 2005, p. 273
6. Amos, S W (2002). Newnes Dictionary of Electronics. Newnes. p. 191. ISBN 0080524052. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
7. Laplante 1999, p. 633
8. Stauffer 2005, p. 29
9. Newnes 2002, p. 167
10. Newnes 2002, p. 326
11. Laplante, Phillip A. (1999). Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer. p. 143. ISBN 3540648356.
12. Laplante 1999, p. 346
13. Laplante 1999, p. 243
14. Laplante 1999, p. 19
15. Newnes 2002, p. 113