Солено́ид (от греч. σωλήνας [солинаc] «труба» + др.-греч. εἶδος [эйдос] «подобный, похожий») — разновидность катушки индуктивности.
Конструктивно длинные соленоиды имеют как однослойную намотку (см. рис.), так и многослойную.
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
правитьЕсли 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]:
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 соленоида
правитьИндуктивность соленоида выражается следующим образом:
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 токе
правитьПри 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
правитьСоленоиды 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
правитьПримечание
правитьЛитература
править- Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.
В статье не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |