Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động có khả năng lưu trữ tạm thời năng lượng dưới dạng từ trường khi dòng điện chạy qua cuộn dây của nó. Ở dạng đơn giản nhất, cuộn cảm bao gồm hai đầu nối và một cuộn dây cách điện, có thể được quấn quanh không khí hoặc một lõi vật liệu nhằm tăng cường từ trường. Cuộn cảm giúp xử lý các biến động của dòng điện trong mạch điện.
Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn như dây đồng, nó tạo ra một từ trường nhỏ xung quanh dây. Nếu dây này được quấn thành cuộn, từ trường sẽ mạnh hơn. Nếu dây được quấn quanh một lõi trung tâm làm từ vật liệu như sắt, từ trường sẽ còn mạnh hơn nữa—đây chính là nguyên lý hoạt động của nam châm điện. Từ trường này hoàn toàn phụ thuộc vào dòng điện. Khi dòng điện thay đổi, từ trường cũng thay đổi theo.
Cuộn cảm sử dụng mối quan hệ giữa dòng điện và từ trường để bù đắp cho sự thay đổi trong dòng điện. Khi dòng điện bắt đầu chạy qua cuộn dây của cuộn cảm, từ trường bắt đầu mở rộng cho đến khi đạt trạng thái ổn định. Trong quá trình này, cuộn dây sẽ cản trở dòng điện. Khi từ trường đã ổn định, dòng điện có thể chạy qua cuộn dây một cách bình thường.
Năng lượng sẽ được lưu trữ trong từ trường miễn là dòng điện tiếp tục chạy qua cuộn dây. Khi dòng điện ngừng lại, từ trường bắt đầu suy giảm và năng lượng từ trường sẽ được chuyển hóa ngược lại thành năng lượng điện, tiếp tục cung cấp dòng điện cho mạch cho đến khi từ trường biến mất hoàn toàn.
Cuộn cảm và độ tự cảm
Nếu dòng điện duy trì ở trạng thái ổn định, cuộn cảm sẽ cho phép dòng điện chạy qua giống như một đoạn dây dẫn mà không có phản ứng nào đáng kể. Tuy nhiên, nếu dòng điện thay đổi đột ngột, cuộn cảm sẽ cố gắng chống lại sự thay đổi đó.
Cuộn cảm luôn có độ trễ so với sự thay đổi của dòng điện do ảnh hưởng của từ trường. Khi dòng điện thay đổi, từ trường của cuộn cảm cũng thay đổi—tăng lên nếu dòng điện tăng, giảm đi nếu dòng điện giảm. Sự thay đổi trong từ trường sẽ làm thay đổi từ thông, từ đó tạo ra một suất điện động (EMF) đối nghịch với sự thay đổi của dòng điện. Nếu dòng điện giảm, EMF sẽ cố gắng giữ cho dòng điện tăng lên. Nếu dòng điện tăng, EMF sẽ cố gắng làm giảm dòng điện.
Khả năng chống lại sự thay đổi dòng điện của cuộn cảm được gọi là độ tự cảm, được đo bằng tỷ lệ giữa điện áp và tốc độ thay đổi dòng điện trong cuộn dây. Đơn vị tiêu chuẩn của độ tự cảm là henry (H). Vì henry là một đơn vị lớn, hầu hết các cuộn cảm thường được đo bằng đơn vị nhỏ hơn như millihenry (mH, 1 mH = 10⁻³ H), microhenry (µH, 1 µH = 10⁻⁶ H) hoặc nanohenry (nH, 1 nH = 10⁻⁹ H).
Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ tự cảm của cuộn cảm, bao gồm số vòng dây, chiều dài dây quấn, vật liệu lõi, cũng như kích thước và hình dạng của lõi. Nếu không sử dụng lõi rắn, độ tự cảm cũng sẽ phụ thuộc vào bán kính của cuộn dây.
- Cuộn cảm lõi không khí (không có lõi rắn) thường có độ tự cảm thấp nhất. Các vật liệu như gỗ, thủy tinh và nhựa (gọi là vật liệu điện môi) có tính chất tương tự không khí về độ tự cảm.
- Cuộn cảm lõi sắt từ, chẳng hạn như lõi sắt, sắt lá hoặc sắt bột, sẽ làm tăng đáng kể độ tự cảm, đôi khi gấp hàng ngàn lần.
- Hình dạng lõi cũng quan trọng. Lõi hình toroid (hình vòng tròn) cung cấp độ tự cảm cao hơn so với lõi hình trụ (solenoid) có cùng vật liệu và số vòng dây.
Việc chế tạo cuộn cảm trên vi mạch tích hợp (IC) có thể khó khăn, nhưng vẫn có thể thực hiện được dù chúng có độ tự cảm khá thấp. Khi không thể sử dụng cuộn cảm, người ta có thể thay thế bằng điện trở. Trong một số trường hợp, có thể mô phỏng độ tự cảm bằng cách sử dụng bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện trên vi mạch.
Cuộn cảm được sử dụng phổ biến trong các mạch điện tử, đặc biệt là cùng với tụ điện trong các hệ thống truyền thông không dây, hệ thống âm thanh và nhiều ứng dụng khác. Cuộn cảm nối tiếp hoặc song song với tụ điện có thể giúp lọc nhiễu tín hiệu không mong muốn. Trong các thiết bị điện tử như máy tính và thiết bị ngoại vi, cuộn cảm lớn được sử dụng trong bộ nguồn để làm mịn dòng điện xoay chiều (AC) đã chỉnh lưu, cung cấp nguồn điện một chiều (DC) ổn định giống như pin.