Открыть главное меню

Соленоид

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 (от греч. σολήνα (солина) — канал, 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 токеПравить

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]:

  (СИ)  

  (СГС)  

где   — магнитная проницаемость вакуума,   — число витков на единицу длины соленоида,   — число витков,   — длина соленоида,   — 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]:

  (СИ)  

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

 

где   — потокосцепление,   — магнитный поток в соленоиде,   — индуктивность соленоида.

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

 .

Индуктивность соленоидаПравить

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

  (СИ)  
  (СГС)  

где   — магнитная проницаемость вакуума,   — число витков на единицу длины соленоида,   — число витков,   — объём соленоида,   — длина проводника, намотанного на соленоид,   — площадь поперечного сечения соленоида,   — длина соленоида,   — диаметр витка.

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

 

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

 

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

  эквивалентная предыдущим двум формулам.

Соленоид на переменном токеПравить

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.

ПрименениеПравить

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.

ПримечаниеПравить

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

ИсточникиПравить

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

См. такжеПравить