Соленоид
Солено́ид (от греч. σωλήνας (солинаc) — труба и ειδός (эйдос) — подобный, похожий) — разновидность катушки индуктивности.
Конструктивно длинные соленоиды выполняются как в виде однослойной намотки (см. рис.), так и многослойной.
Если длина намотки значительно превышает диаметр намотки, то в полости соленоида при подаче в него электрического тока порождается магнитное поле, близкое к однородному.
Также часто соленоидами называют электромеханические исполнительные механизмы, обычно со втягиваемым ферромагнитным сердечником. В таком применении соленоид почти всегда снабжается внешним ферромагнитным магнитопроводом, обычно называемым ярмом.
Бесконечно длинный соленоид — это соленоид, длина которого стремится к бесконечности (то есть его длина много больше его поперечных размеров).
Соленоид на постоянном токе
Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно[1]:
[math]\displaystyle{ B = \mu_0 n I }[/math] (СИ) [math]\displaystyle{ \qquad (1), }[/math]
[math]\displaystyle{ B = \frac{4\pi}{c} n I }[/math] (СГС) [math]\displaystyle{ \qquad (2), }[/math]
где [math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] — магнитная проницаемость вакуума, [math]\displaystyle{ n=N/l }[/math] — число витков на единицу длины соленоида, [math]\displaystyle{ N }[/math] — число витков, [math]\displaystyle{ l }[/math] — длина соленоида, [math]\displaystyle{ I }[/math] — ток в обмотке.
Вследствие того, что две половины бесконечного соленоида в точке их соединения вносят одинаковый вклад в магнитное поле, магнитная индукция полубесконечного соленоида у его края вдвое меньше, чем в объёме. То же самое можно сказать о поле на краях конечного, но достаточно длинного соленоида[1]:
[math]\displaystyle{ B_\mathrm{KP} = \frac {1}{2} \mu_0 n I }[/math] (СИ) [math]\displaystyle{ \qquad (3). }[/math]
При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока [math]\displaystyle{ I }[/math]. Величина этой энергии равна
- [math]\displaystyle{ E_\mathrm{coxp} = {{\Psi I} \over 2} = {{L I^2} \over 2} \qquad (4), }[/math]
где [math]\displaystyle{ \Psi = N \Phi }[/math] — потокосцепление, [math]\displaystyle{ \Phi }[/math] — магнитный поток в соленоиде, [math]\displaystyle{ L }[/math] — индуктивность соленоида.
При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой
- [math]\displaystyle{ \varepsilon = -L{dI \over dt} \qquad (5) }[/math].
Индуктивность соленоида
Индуктивность соленоида выражается следующим образом:
- [math]\displaystyle{ L = \mu_0 n^2 V\! = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{z^2}{l} }[/math] (СИ) [math]\displaystyle{ \qquad (6), }[/math]
- [math]\displaystyle{ L = 4\pi n^2 V\! = \frac{z^2}{l} }[/math] (СГС) [math]\displaystyle{ \qquad (7), }[/math]
где [math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] — магнитная проницаемость вакуума, [math]\displaystyle{ n=N/l }[/math] — число витков на единицу длины соленоида, [math]\displaystyle{ N }[/math] — число витков, [math]\displaystyle{ V=Sl }[/math] — объём соленоида, [math]\displaystyle{ z=\pi dN }[/math] — длина проводника, намотанного на соленоид, [math]\displaystyle{ S=\pi d^2/4 }[/math] — площадь поперечного сечения соленоида, [math]\displaystyle{ l }[/math] — длина соленоида, [math]\displaystyle{ d }[/math] — диаметр витка.
Без использования магнитного материала магнитная индукция [math]\displaystyle{ B }[/math] в пределах соленоида является фактически постоянной и равна
- [math]\displaystyle{ B = \mu_0 \frac{N}{l} I = \mu_0 n I \qquad (8), }[/math]
где [math]\displaystyle{ I }[/math] — сила тока. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление [math]\displaystyle{ \Psi }[/math] через катушку равно магнитной индукции [math]\displaystyle{ B }[/math], умноженной на площадь поперечного сечения [math]\displaystyle{ S }[/math] и число витков [math]\displaystyle{ N }[/math]:
- [math]\displaystyle{ \displaystyle \Psi = BSN = \mu_0N^2IS/l = \mu_0n^2VI = LI \qquad (9). }[/math]
Отсюда следует формула для индуктивности соленоида
- [math]\displaystyle{ \displaystyle L = \mu_0N^2S/l = \mu_0 n^2 V \qquad (10), }[/math] эквивалентная предыдущим двум формулам.
Соленоид на переменном токе
При переменном токе соленоид создаёт переменное магнитное поле. Если соленоид используется как электромагнит, то на переменном токе величина силы притяжения изменяется. В случае якоря из магнитомягкого материала направление силы притяжения не изменяется. В случае магнитного якоря направление силы меняется. На переменном токе соленоид имеет комплексное сопротивление, активная составляющая которого определяется активным сопротивлением обмотки, а реактивная составляющая определяется индуктивностью обмотки.
Применение
Соленоиды постоянного тока чаще всего применяются как поступательный силовой электропривод. В отличие от обычных электромагнитов обеспечивает большой ход. Силовая характеристика зависит от строения магнитной системы (сердечника и корпуса) и может быть близка к линейной.
Соленоиды приводят в движение ножницы для отрезания билетов и чеков в кассовых аппаратах, язычки замков, клапаны в двигателях, гидравлических системах и пр. Один из самых известных примеров — «тяговое реле» автомобильного стартёра. Большое распространение соленоиды получили в энергетике, найдя широкое применение в приводах высоковольтных выключателей.
Соленоиды на переменном токе применяются в качестве индуктора для индукционного нагрева в индукционных тигельных печах.
Примечание
Источники
См. также
 | В статье не хватает ссылок на источники (см. также рекомендации по поиску). |