Соленоид

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Соленоид с однослойной намоткой.
Образование магнитного потока в соленоиде. В центре по длине на оси соленоида магнитное поле практически однородно.
Схема магнитных и вихревых электрических полей в соленоиде при протекании по обмотке переменного тока.

Солено́ид — разновидность катушки индуктивности. Название происходит от гр. solen — канал, труба и eidos — подобный. Обычно под термином «соленоид» подразумевается цилиндрическая обмотка из провода, причём длина такой обмотки многократно превышает её диаметр.

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 называемом ярмом.

Соленоид на постоянном токе[править | править вики-текст]

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]

B = \mu_0 n I\! (СИ),

B = \frac{4\pi}{c} n I (СГС),

где \mu_0 магнитная проницаемость вакуума, n=N/l — число витков на единицу длины соленоида, N — число витков, l — длина соленоида, I — 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]:

B_\mathrm{KP} = \frac {1}{2} \mu_0 n I\! (СИ).

При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I~. Величина этой энергии равна

 E_\mathrm{coxp} = {{\Psi I} \over 2} = {{L I^2} \over 2},

где \Psi = N \Phiпотокосцепление, \Phi — магнитный поток в соленоиде, L — индуктивность соленоида.

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

 \varepsilon = -L{dI \over dt}.

Индуктивность соленоида[править | править вики-текст]

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

L = \mu_0 n^2 V\! = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{z^2}{l} (СИ),
L = 4\pi n^2 V\! = \frac{z^2}{l} (СГС),

где \mu_0 магнитная проницаемость вакуума, n=N/l — число витков на единицу длины соленоида, N — число витков, V=Sl — объём соленоида, z=\pi dN — длина проводника, намотанного на соленоид, S=\pi d^2/4 — площадь поперечного сечения соленоида, l — длина соленоида, d — диаметр витка.

Без использования магнитного материала магнитная индукция B в пределах соленоида является фактически постоянной и равна

B = \mu_0 \frac{N}{l} I = \mu_0 n I,

где I — сила тока. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление \Psi через катушку равно магнитной индукции B, умноженной на площадь поперечного сечения S и число витков N:

\displaystyle \Psi = BSN = \mu_0N^2IS/l = \mu_0n^2VI = LI.

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

\displaystyle L = \mu_0N^2S/l = \mu_0 n^2 V, эквивалентная предыдущим двум формулам.

Соленоид на переменном токе[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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 проч. Один из самых известных примеров — «тяговое реле» автомобильного стартёра.

Соленоиды на переменном токе применяются в качестве индуктора для индукционного нагрева в индукционных тигельных печах.

Примечание[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Савельев И.В. (1982), с. 148–152.

Источники[править | править вики-текст]

  • Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.

См. также[править | править вики-текст]