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線圈

線圈是指用電導體（例如電線）繞成多圈螺旋形的裝置[1][2]。電機工程學中有許多領域會用到線圈，會用在電流和磁場有交互作用的應用中，像電動機、發電機、電感元件、電磁鐵、變壓器等電子設備，或是磁共振成像機器中用到的偵測線圈。線圈上的電流會產生磁場，若線圈附近有磁場，使線圈中心有隨時間變化的磁場，也會讓線圈上產生電動勢（電壓）。

有電流流動的單圈線圈，其磁力線（綠色）通過線圈的中央，其磁場集中在線圈中心處

依照安培環路定律，導體上的電流會產生圓形分佈的磁場[3]。線圈的好處是可以提昇電流所產生的磁場強度。每一圈導體產生的磁場都會通過線圈中心，而且會疊加，因此會產生較大的磁場[3]。線圈的圈數越多，磁場就越強。另外，根據法拉第電磁感應定律，變化的外加磁通會在導體（例如電線）上感應電壓[3][4]。若將導體配置成線圈，磁力線會多次通過電路，因此感應電壓會增加[3]。

線圈產生磁場的方向可以用右手定則來確認。若右手的四隻手指抓住線圈，而手指是往電流流動的方向，則拇指指向方向即為通過線圈磁場的方向。

在電機和電子設備中，有許多不同種類的線圈。

在多圈導線形成的線圈裡，各圈導線形成的磁場會在線圈中心疊加，產生較強的磁場。圖中畫出的是通過線圈中心的截面。打叉處是表示其電流進入頁面，打點處是表示其電流從頁面出來

繞組和抽頭

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典型的變壓器組態

組成線圈的電線或是導體稱為繞組（winding）[5]。線圈中心的部份稱為磁芯 （core）或磁軸（magnetic axis）[6]。每一圈的導線稱為一匝[2]。繞組中的導體會互相接觸，但其外層需要包覆不導電的絕緣體（如塑膠或是瓷漆），以免各圈之間短路[2]。導線的終端會拉出來，接到其他外部電路，除了頭尾兩端外，繞組中也可能有其他部份有端子可以接到外部電路，這稱為抽頭（taps）[7]。若繞組中間處有一個抽頭，則稱為中心抽頭（center-tapped）[8]。

線圈中可能會有多組彼此絕緣的繞組。若在同一個磁軸上有二個或多個繞組，這些繞組稱為電感耦合（inductively coupled）或磁耦合（magnetically coupled）[9]。一個繞組上的時變電流會產生時變磁場，並傳遞到其他的繞組，讓其他繞組產生時變電壓，這就是變壓器[10]。產生磁場的繞組稱為一次繞組（primary winding），其他感應電壓的繞組稱為二次繞組（secondary winding）。

磁芯

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許多的線圈裡會有磁芯，是為了增加磁場，在線圈中間置入的鐵磁性或亞鉄磁性材料[11]。通過線圈的電流會讓磁芯磁化，磁化的磁芯所產生的磁場會和線圈產生的磁場疊加[12]。鐵磁性磁芯可以讓磁場和電感提昇數百到數千倍。鐵氧體磁芯是指由鐵氧體（亞鐵磁性陶瓷材料）為材料的磁芯的通稱[13]。鐵氧體磁芯在高頻時的鐵損較低。

  • 若線圈的磁芯形成封閉迴路，或是只有很窄的氣隙，這種線圈稱為封閉式磁芯線圈（closed-core coil）。這種磁芯提供了磁力線的封閉路徑，可以讓磁阻減到最小，產生最大的磁場，常用在變壓器中，但會因為導磁材料的特性，而有磁飽和的問題。
    • 環形磁芯線圈也是常見的封閉式磁芯線圈，其磁芯為環形，磁芯截面可能是圓形或是長方形。此外形可以讓漏電感降到最低，其電磁干擾（EMI）影響也最小。
  • 若線圈的磁芯是棒狀或是其他非封閉的形狀，稱為開放式磁芯線圈（open-core coil），其磁場和電感都比封閉式磁芯線圈要低，但可以避免材料的磁飽和。

若線圈內沒有磁芯，則稱為空心線圈或air-core coil[14]，這也包括將塑膠或其他沒有磁性的物質放在線圈中央，其導磁效果和線圈內只有空氣是一樣的。

線圈

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線圈可以以其設計運作的電流頻率來分類，這也會影響線圈選用的磁芯材料：

  • 直流線圈或電磁鐵是指其繞組上的主要電流為穩定的直流。
  • 聲頻（Audio-frequency，簡稱AF）線圈、電感或是變壓器是指其繞組上的主要電流是交流電，頻率在聲頻（英語：audio frequency）範圍（小於20 kHz）。
  • 射頻（Radio-frequency，簡稱AF）線圈、電感或是變壓器是指其繞組上的主要電流是交流電，頻率在射頻範圍（大於20 kHz）。

線圈也可以依其功能來分類，以下即為一種分類，不過也有些線圈無法放在這些分類裡。

電磁鐵

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主條目：電磁鐵
 
Canon AF-10舊型相機快門的驅動線圈

電磁鐵是用來產生磁場的線圈，常用在要用磁力驅動其他物體的應用[15]，或是要抵消已有的背景磁場[16]。以下是一些特殊的電磁鐵：

電感元件

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主條目：電感元件

電感元件或電抗器是會產生磁場，使線圈本身感應反電動勢，抵抗線圈上電流變化的元件。電感元件也是電子電路中的元件之一，用來抵抗電流變化或是暫時儲能。以下是一些特殊的電感元件：

  • 諧振線圈 - LC電路中用的電感器。
  • 扼流圈 - 在電路中阻斷高頻交流電流，讓低頻交流電流或直流電流可以通過的電感器。
  • 加感線圈（英語：Loading coil） - 增加天線上電感的電感器，目的是使電路共振，或是避免信號扭曲變形。
  • 可變電感器（Variometer）- 是兩個串聯線圈組成的可調整電感，由一個外層的靜止線圈以及內層的二次側線圈組成，內層線圈可以旋轉，使兩個線圈的磁軸同向或是反向。
  • 回掃變壓器 - 雖然名為「變壓器」，不過是開關模式電源中儲能的電感器，也用在CRT電視以及螢幕的水平偏轉電路。
  • 飽和電抗器（英語：Saturable reactor） - 有鐵芯的電抗器，利用輔助繞組提供直流控制電壓，以調整鐵芯的飽和程度，控制交流電輸出。
  • 鎮流器 - 氣體放電燈（例如螢光燈）電路中使用的電感，用來限制燈泡裡的電流。

變壓器

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變壓器
主條目：變壓器

變壓器是由數個磁耦合的繞組組成的電子設備。其中一次側繞組上的時變電流會產生磁場，並且讓其他繞組（稱為二次側繞組）上感應電壓。以下是一些變壓器的分類：

電力機械

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交流整流子電動機定子上的場線圈（英語：Field coil）

像電動機和發電機的電機其中有一組或多組繞組，配合旋轉磁場在動能和電能之間進行轉換。多半會有一個繞組傳遞機器大部份的動力（電樞），另一個繞組提供磁場（場線圈（英語：field coil）），若繞組是在轉子上，會有電刷或滑環連接繞組和外部電路。

在異步電動機中，轉子電流的產生是因為轉子轉速略慢於定子產生旋轉磁場，因此產生的電流。

傳感器線圈

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金屬探測器的感應線圈

傳感器線圈是在時變磁場訊號和電子信號之間進行轉換的線圈。分類如下：

繞組技術

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繞組技術（英語：Coil winding technology）是製作線圈繞組的相關技術，會配合應用需求，設計繞組的外形和尺寸。繞組的設計會大幅受到電感、品質因子、工作頻率、絕緣強度以及期望磁場強度等參數的影響。繞組技術可以依繞組的種類以及外形來分為幾組。繞組技術的量產會用自動化機械。

相關條目

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參考資料

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  1. ^ Stauffer, H. Brooke. NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms. Jones and Hymel Tucker. 2002: 36. ISBN 978-0877655992. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Laplante, Phillip A. Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer. 1999: 114–115. ISBN 978-3540648352. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Arun, P. Electronics. Alpha Sciences International Ltd. 2006: 73–77. ISBN 978-1842652176. 
  4. ^ Amos, S. W.; Amos, Roger. Newnes 2002, p. 129. Elsevier. 4 March 2002. ISBN 9780080524054. 
  5. ^ Stauffer, H.B. NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms. Jones & Bartlett Learning, LLC. 2005: 273 [2017-01-07]. ISBN 9780877655992. 
  6. ^ Amos, S W; Roger Amos. Newnes Dictionary of Electronics. Newnes. 2002: 191. ISBN 978-0080524054. 
  7. ^ Laplante, P.A. Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer Berlin Heidelberg. 1999: 633 [2017-01-07]. ISBN 9783540648352. 
  8. ^ Stauffer, H.B. NFPA's Pocket Dictionary of Electrical Terms. Jones & Bartlett Learning, LLC. 2005: 29 [2017-01-07]. ISBN 9780877655992. 
  9. ^ Amos, S.W.; Amos, R. Newnes Dictionary of Electronics. Elsevier Science. 2002: 167 [2017-01-07]. ISBN 9780080524054. 
  10. ^ Amos, S.W.; Amos, R. Newnes Dictionary of Electronics. Elsevier Science. 2002: 326 [2017-01-07]. ISBN 9780080524054. 
  11. ^ Laplante, Phillip A. Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer. 1998: 143. ISBN 978-3540648352. 
  12. ^ Laplante, P.A. Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer Berlin Heidelberg. 1999: 346 [2017-01-07]. ISBN 9783540648352. 
  13. ^ Laplante, P.A. Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer Berlin Heidelberg. 1999: 243 [2017-01-07]. ISBN 9783540648352. 
  14. ^ Laplante, P.A. Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering. Springer Berlin Heidelberg. 1999: 19 [2017-01-07]. ISBN 9783540648352. 
  15. ^ Amos, S.W.; Amos, R. Newnes Dictionary of Electronics. Elsevier Science. 2002: 113 [2017-01-07]. ISBN 9780080524054. 
  16. ^ Hobson, P. J.; et al. Bespoke magnetic field design for a magnetically shielded cold atom interferometer. Sci. Rep. 2022, 12 (1): 10520. Bibcode:2022NatSR..1210520H. PMC 9217970  . PMID 35732872. S2CID 238583775. arXiv:2110.04498  . doi:10.1038/s41598-022-13979-4. 

延伸閱讀

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  • Querfurth, William, "Coil winding; a description of coil winding procedures, winding machines and associated equipment for the electronic industry" (2d ed.). Chicago, G. Stevens Mfg. Co., 1958.
  • Weymouth, F. Marten, "Drum armatures and commutators (theory and practice) : a complete treatise on the theory and construction of drum winding, and of commutators for closed-coil armatures, together with a full résumé of some of the principal points involved in their design; and an exposition of armature reactions and sparking". London, "The Electrician" Printing and Publishing Co., 1893.
  • "Coil winding proceedings". International Coil Winding Association.
  • Chandler, R. H., "Coil coating review, 1970–76". Braintree, R. H. Chandler Ltd, 1977.

外部連結

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維基共享資源上的相關多媒體資源：線圈
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