Соленоид

Образование магнитного потока в соленоиде

Схема полей в соленоиде при протекании по обмотке переменного тока

Солено́ид — разновидность электромагнитов. Соленоид — это односложная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра. Характеризуется значительным соотношением длины намотки к диаметру оправки, что позволяет создать внутри катушки относительно равномерное магнитное поле.

Соленоид почти всегда снабжается внешним магнитопроводом. Внутренний магнитопровод может быть подвижным или отсутствовать вовсе.

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

$B = \mu_0 n I\!$ (СИ),

$H = \frac{4\pi}{c} n I$ (СГС),

где $\mu_0$ — магнитная проницаемость вакуума, $n=N/l$ — число витков N на единицу длины l (линейная плотность витков), $I$ — ток в обмотке.

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

$E_\mathrm{coxp} = {{\Phi I} \over 2} = {{L I^2} \over 2}.$

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

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

Индуктивность соленоида

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 $V$ — объём соленоида, $z=\pi dN$ — длина проводника, намотаннного на соленоид, $l$ — длина соленоида, $d$ — диаметр витка.

Без использования магнитного материала плотность магнитного потока $B$ в пределах катушки является фактически постоянной и равна

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

где $\mu_0$ − магнитная проницаемость вакуума, $N$ − число витков, $I$ — сила тока и $l$ — длина катушки. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление через катушку равно плотности потока $B$, умноженному на площадь поперечного сечения $S$ и число витков $N$:

$\displaystyle \Psi = \mu_0N^2iS/l,$

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

$\displaystyle L = \mu_0N^2S/l,$ 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 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.

См. также

• Магнит
• Электромагнит
• Индуктивность
• Катушка индуктивности
• Катушка Румкорфа