Русская Википедия:Соленоид
Солено́ид (от Шаблон:Lang-el [солинаc] «труба» + Шаблон:Lang-grc [эйдос] «подобный, похожий») — разновидность катушки индуктивности.
Конструктивно длинные соленоиды имеют как однослойную намотку (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>B = \mu_0 n I</math> (СИ) <math>\qquad (1),</math>
- <math>B = \frac{4\pi}{c} n I</math> (СГС) <math>\qquad (2),</math>
где
- <math>\mu_0 </math> — магнитная проницаемость вакуума,
- <math>n=N/l</math> — число витков на единицу длины соленоида,
- <math>N</math> — число витков,
- <math>l</math> — длина соленоида,
- <math>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>B_\mathrm{KP} = \frac {1}{2} \mu_0 n I</math> (СИ) <math>\qquad (3).</math>
При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока <math>I</math>. Величина этой энергии равна
- <math> E_\mathrm{coxp} = {{\Psi I} \over 2} = {{L I^2} \over 2} \qquad (4),</math>
где
- <math>\Psi = N \Phi</math> — потокосцепление,
- <math>\Phi</math> — магнитный поток в соленоиде,
- <math>L</math> — индуктивность соленоида.
При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой
- <math> \varepsilon = -L{dI \over dt} \qquad (5)</math>.
Индуктивность соленоида
Индуктивность соленоида выражается следующим образом:
- <math>L = \mu_0 n^2 V\! = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{z^2}{l}</math> (СИ) <math>\qquad (6),</math>
- <math>L = 4\pi n^2 V\! = \frac{z^2}{l}</math> (СГС) <math>\qquad (7),</math>
где
- <math>\mu_0 </math> — магнитная проницаемость вакуума,
- <math>n=N/l</math> — число витков на единицу длины соленоида,
- <math>N</math> — число витков,
- <math>V=Sl</math> — объём соленоида,
- <math>z=\pi dN</math> — длина проводника, намотанного на соленоид,
- <math>S=\pi d^2/4</math> — площадь поперечного сечения соленоида,
- <math>l</math> — длина соленоида,
- <math>d</math> — диаметр витка.
Без использования магнитного материала магнитная индукция <math>B</math> в пределах соленоида является фактически постоянной и равна
- <math>B = \mu_0 \frac{N}{l} I = \mu_0 n I \qquad (8),</math>
где <math>I</math> — сила тока. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление <math>\Psi</math> через катушку равно магнитной индукции <math>B</math>, умноженной на площадь поперечного сечения <math>S</math> и число витков <math>N</math>:
- <math>\displaystyle \Psi = BSN = \mu_0N^2IS/l = \mu_0n^2VI = LI \qquad (9).</math>
Отсюда следует формула для индуктивности соленоида
- <math>\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.
См. также
Примечание
Литература
Шаблон:Выбор языка Шаблон:Нет источников
