Соленоид

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 электромеханическиеисполнительные механизмы, обычно со втягиваемым ферромагнитным сердечником. В таком применении соленоид почти всегда снабжается внешним ферромагнитным магнитопроводом, обычно называемым ярмом.

Если длина соленоида значительно превышает диаметр намотки, причём число витков на единицу длины одинаково по всей длине соленоида, то в внутри соленоида при подаче в него электрического тока порождается магнитное поле, близкое к однородному.

Бесконечно длинный соленоид — это соленоид, длина которого стремится к бесконечности при конечном диаметре намотки. Внутри бесконечного соленоида с однородной намоткой, при подаче в него электрического тока, магнитное поле будет строго однородным.

Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное параллельно его оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно^[1]:

${\displaystyle B=\mu _{0}nI}$ (СИ) ${\displaystyle \qquad (1),}$

${\displaystyle B={\frac {4\pi }{c}}nI}$ (СГС) ${\displaystyle \qquad (2),}$

где ${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная проницаемость вакуума,

${\displaystyle n=N/l}$ — число витков на единицу длины соленоида,

${\displaystyle N}$ — число витков,

${\displaystyle l}$ — длина соленоида,

${\displaystyle I}$ — ток в обмотке.

Так как две половины бесконечного соленоида в точке их соединения вносят одинаковый вклад в общее магнитное поле, магнитная индукция полубесконечного соленоида у его края будет вдвое меньше, чем в объёме. То же самое можно сказать о напряжённости поле на краях конечного, но достаточно длинного соленоида^[1]:

${\displaystyle B_{\mathrm {KP} }={\frac {1}{2}}\mu _{0}nI}$ (СИ) ${\displaystyle \qquad (3).}$

При протекании тока в соленоиде запасается энергия, равная работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока ${\displaystyle I}$. Величина этой энергии равна:

${\displaystyle E_{\mathrm {coxp} }={{\Psi I} \over 2}={{LI^{2}} \over 2}\qquad (4),}$

где ${\displaystyle \Psi =N\Phi }$ — потокосцепление,

${\displaystyle \Phi }$ — магнитный поток в соленоиде,

${\displaystyle L}$ — индуктивность соленоида.

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:

${\displaystyle \varepsilon =-L{dI \over dt}\qquad (5)}$.

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

${\displaystyle L=\mu _{0}n^{2}V\!={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {z^{2}}{l}}}$ (СИ) ${\displaystyle \qquad (6),}$

${\displaystyle L=4\pi n^{2}V\!={\frac {z^{2}}{l}}}$ (СГС) ${\displaystyle \qquad (7),}$

где ${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная проницаемость вакуума,

${\displaystyle n=N/l}$ — число витков на единицу длины соленоида,

${\displaystyle N}$ — число витков,

${\displaystyle V=Sl}$ — объём соленоида,

${\displaystyle z=\pi dN}$ — длина проводника, намотанного на соленоид,

${\displaystyle S=\pi d^{2}/4}$ — площадь поперечного сечения соленоида,

${\displaystyle l}$ — длина соленоида,

${\displaystyle d}$ — диаметр витка.

Без использования сердечника из магнитного материала магнитная индукция${\displaystyle B}$ в пределах соленоида является фактически постоянной и равна

${\displaystyle B=\mu _{0}{\frac {N}{l}}I=\mu _{0}nI\qquad (8),}$

где ${\displaystyle I}$ — сила тока.

Пренебрегая отклонением магнитного поля от однородного на концах соленоида, получим, что потокосцепление${\displaystyle \Psi }$ через катушку равно магнитной индукции ${\displaystyle B}$ умноженной на площадь поперечного сечения ${\displaystyle S}$ и число витков ${\displaystyle N}$:

${\displaystyle \displaystyle \Psi =BSN=\mu _{0}N^{2}IS/l=\mu _{0}n^{2}VI=LI\qquad (9).}$

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида эквивалентная предыдущим двум формулам:

${\displaystyle \displaystyle L=\mu _{0}N^{2}S/l=\mu _{0}n^{2}V\qquad (10),}$

При питании переменным током соленоид создаёт переменное во времени магнитное поле. Если соленоид используется как исполнительный электромагнит, то на переменном токе величина силы притяжения якоря ферромагнитного материала изменяется. В случае применения якоря из магнитомягкого материала направление силы притяжения не изменяется. В случае применения якоря из погстоянного магнита направление силы меняется.

На переменном токе соленоид имеет комплексное сопротивление, активная составляющая которого определяется активным сопротивлением обмотки и потерями, а реактивная составляющая определяется индуктивностью обмотки.

Соленоиды-электромагниты постоянного тока чаще всего применяются как силовой электропривод поступательного действия. 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.

• Шаблон:Книга:''Савельев И. В.'': Электричество и магнетизм. Волны. Оптика