Постоянная соленоида. Соленоиды акпп

В этой статье речь пойдет о соленоидах. Сначала рассмотрим теоретическую сторону данной темы, затем практическую, где отметим сферы применения соленоидов в различных режимах их работы.

Соленоидом называется цилиндрическая обмотка, длина которой значительно превышает ее диаметр. Само слово соленоид образовано сочетанием двух слов - solen и eidos, первое из которых переводится как труба, второе - подобный. То есть соленоид - это катушка, по форме напоминающая трубу.

Соленоиды, в широком смысле, - это катушки индуктивности, наматываемые проводником на цилиндрический каркас, которые могут быть как однослойными, так и многослойными . Поскольку длина намотки соленоида сильно превышает его диаметр, то при подаче постоянного тока через такую обмотку, внутри нее, во внутренней полости, формируется почти однородное магнитное поле.

Зачастую соленоидами называют некоторые исполнительные механизмы, электромеханического принципа работы, как например соленоидный клапан автоматической коробки передач автомобиля или втягивающее реле стартера. Как правило, в качестве втягиваемой части выступает ферромагнитный сердечник, а сам соленоид , так называемым ферромагнитным ярмом.

Если в конструкции соленоида магнитный материал отсутствует, то при протекании по проводнику постоянного тока, вдоль оси катушки формируется магнитное поле, индукция которого численно равна:

Где, N – число витков в соленоиде, l – длина намотки соленоида, I – ток в соленоиде, μ0 - магнитная проницаемость вакуума.

На краях соленоида магнитная индукция вдвое меньше, чем внутри него, поскольку обе половины соленоида в месте их объединения привносят равный вклад в магнитное поле, создаваемое током соленоида. Это можно сказать о полубесконечном соленоиде или о достаточно длинной, по отношению к диаметру каркаса, катушке. Магнитная индукция по краям будет равна:

Поскольку соленоид - это в первую очередь катушка индуктивности, то как и любая катушка, обладающая индуктивностью, соленоид способен запасать в магнитном поле энергию, численно равную работе, которую совершает источник для создания в обмотке тока, порождающего магнитное поле соленоида:

Изменение тока в обмотке приведет к возникновению ЭДС самоиндукции, и напряжение на краях провода обмотки соленоида будет равно:

Индуктивность соленоида будет равна:

Где, V – объем соленоида, z – длина провода в обмотке соленоида, n – число витков в единице длины соленоида, l – длина соленоида, μ0 - магнитная проницаемость вакуума.

При пропускании через провод соленоида переменного тока, магнитное поле соленоида так же будет переменным. Сопротивление соленоида переменному току имеет комплексный характер, и включает в себя как активную, так и реактивную составляющие, определяемые индуктивностью и активным сопротивлением провода обмотки.

Практическое использование соленоидов

Соленоиды применяются во многих отраслях промышленности и во многих областях гражданской сферы деятельности. Часто поступательные электроприводы - это как раз пример работы соленоидов на постоянном токе. Ножницы отрезания чеков в кассовых аппаратах, клапаны двигателей, тяговое реле стартера, клапаны гидравлических систем и т. д. На переменном токе соленоиды работают в качестве индукторов .

Обмотки соленоидов, как правило, изготавливают из медного, реже - из алюминиевого провода. В высокотехнологичных отраслях применяют обмотки из сверхпроводников. Сердечники могут быть железными, чугунными, ферритовыми или из иных сплавов, часто в форме пакета листов, а могут и вовсе отсутствовать.

В зависимости от назначения электрической машины, сердечник делается из того или иного материала. Устройства типа подъемных электромагнитов, сортирующие семена, очистители угля и т. д. Далее рассмотрим несколько примеров применения соленоидов.

Пока напряжение на обмотку соленоида не подано, тарелка клапана плотно прижата к пилотному отверстию пружиной, и трубопровод перекрыт. При подаче тока в обмотку клапана, якорь и соединенная с ним тарелка клапана поднимаются, втягиваясь катушкой, противодействуя пружине, и открывая пилотное отверстие.

Разность давлений с разных сторон от клапана приводит к движению жидкости в трубопроводе, и пока на катушку клапана подано напряжение, трубопровод не перекрыт.

Когда питание с соленоида снято, пружину больше ничего не удерживает, и тарелка клапана устремляется вниз, перекрывая пилотное отверстие. Трубопровод вновь перекрыт.

Стартер является по сути мощным мотором постоянного тока с питанием от аккумулятора автомобиля. В момент пуска двигателя зубчатая шестерня стартера (бендикс) должна быстро сцепиться с маховиком коленвала на некоторое время, и одновременно включается мотор стартера. Соленоид здесь - обмотка втягивающего реле стартера.

Втягивающее реле установлено на корпусе стартера, и при подаче питания к обмотке реле происходит втягивание железного сердечника, соединенного с механизмом, выдвигающим шестерню вперед. После пуска двигателя питание с обмотки реле снимается, и шестерня возвращается обратно благодаря пружине.

В соленоидных электрозамках ригель приводится в движение усилием электромагнита. Такие замки применяются в системах контроля доступа и в шлюзовых дверных системах. Оборудованная таким замком дверь может быть открыта только в период действия управляющего сигнала. После снятия этого сигнала закрытая дверь останется запертой независимо от того, открывалась ли она.

К преимуществам соленоидных замков можно отнести их конструкцию - она намного проще, чем у моторных замков, более износостойка. Как видим, здесь соленоид снова работает в паре с возвратной пружиной.

При сквозном нагреве используют обычно соленоидные многовитковые индукторы. Обмотку индуктора изготавливают из медной трубки с водяным охлаждением или из медной шины.

В установках средней частоты используют однослойные обмотки, а в установках промышленной частоты обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Это связано с возможным уменьшением электрических потерь в индукторе и с условиями согласования параметров нагрузки и с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности. Для обеспечения жесткости катушки индуктора чаще всего применяют ее стяжку между торцовыми асбоцементными плитами.

В современных установках соленоиды работают в режиме питания переменным током высокой частоты, поэтому ферромагнитный сердечник им, как правило, не нужен.

В однокатушечных соленоидных двигателях включение и выключение рабочей катушки приводит к механическому движению кривошипно-шатунного механизма, причем возврат осуществляется опять же пружиной, подобно тому, как это происходит в электромагнитном клапане и в соленоидном замке.

В многокатушечных соленоидных двигателях попеременное включение катушек осуществляется при помощи вентилей. К каждой катушке ток от источника питания подается в один из полупериодов синусоидального напряжения. Сердечник поочередно втягивается то одной, то другой катушкой, совершая возвратно-поступательное движение, приводя во вращение коленчатый вал или колесо.

Экспериментальные установки типа детектора ATLAS, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, используют мощные электромагниты, которые тоже включают в себя соленоиды. Эксперименты в физике элементарных частиц проводятся с целью обнаружения строительных блоков материи и изучения фундаментальных сил природы, на которых держится наша Вселенная.

Наконец, ценители наследия Николы Тесла всегда используют соленоиды для построения катушек. Вторичная обмотка трансформатора Тесла - не что иное, как соленоид. И длина провода в катушке оказывается очень важной, ведь строители катушек используют здесь соленоиды не как электромагниты, а как волноводы, как резонаторы, в которых как в любом колебательном контуре есть не только индуктивность провода, но и емкость, формируемая в данном случае расположенными вплотную друг к другу витками. Кстати, тороид на вершине вторичной обмотке призван как раз скомпенсировать эту распределенную емкость.

Надеемся, что наша статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, что такое соленоид, и как много сфер его применения есть в современном мире, ведь перечислили мы отнюдь не все из них.

Соленоид - длинная, тонкая катушка, то есть катушка, длина которой намного больше, чем её диаметр (также в дальнейших выкладках здесь подразумевается, что толщина обмотки намного меньше, чем диаметр катушки). При этих условиях и без использования магнитного материала плотность магнитного потока внутри катушки является фактически постоянной и (приближенно) равна

где − магнитная постоянная, − число витков, − ток и − длина катушки. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим , что потокосцепление через катушку равно плотности потока , умноженному на площадь поперечного сечения и число витков :

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида (без сердечника):

Если катушка внутри полностью заполнена магнитным материалом (сердечником), то индуктивность отличается на множитель - относительную магнитную проницаемость сердечника:

В случае, когда , можно (следует) под S понимать площадь сечения сердечника и пользоваться данной формулой даже при толстой намотке, если только полная площадь сечения катушки не превосходит площади сечения сердечника во много раз.

Более точные формулы для соленоида конечного размера

Для однослойного (с очень тонкой намоткой) соленоида конечных размеров (не бесконечно длинного) существуют более точные, хотя и более сложные формулы :

Количество витков,

Радиус цилиндра,

Длина его образующей,

Эллиптические интегралы.

Трансформатор. Энергия магнитного поля. Основы теории Максвелла. Уравнения Максвелла в интегральной форме.

Электрический колебательный контур. Затухающие электромагнитные колебания. Вынужденные электромагнитные колебания. Явление резонанса

Колебательный контур - осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).

Колебательный контур - простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания

Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона:

Принцип действия

Пусть конденсатор ёмкостью C заряжен до напряжения . Энергия, запасённая в конденсаторе составляет

При соединении конденсатора с катушкой индуктивности, в цепи потечёт ток , что вызовет в катушке электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.

Затем результирующий ток в цепи будет возрастать, а энергия из конденсатора будет переходить в катушку до полного разряда конденсатора. В этот момент электрическая энергия конденсатора . Магнитная же энергия, сосредоточенная в катушке, напротив, максимальна и равна

Где - индуктивность катушки, - максимальное значение тока.

После этого начнётся перезарядка конденсатора, то есть заряд конденсатора напряжением другой полярности. Перезарядка будет проходить до тех пор, пока магнитная энергия катушки не перейдёт в электрическую энергию конденсатора. Конденсатор, в этом случае, снова будет заряжен до напряжения .

В результате в цепи возникают колебания, длительность которых будет обратно пропорциональна потерям энергии в контуре.

В общем, описанные выше процессы в параллельном колебательном контуре называются резонанс токов, что означает, что через индуктивность и ёмкость протекают токи, больше тока проходящего через весь контур, причем эти токи больше в определённое число раз, которое называется добротностью. Эти большие токи не покидают пределов контура, так как они противофазны и сами себя компенсируют. Стоит также заметить, что сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте стремится к бесконечности (в отличие от последовательного колебательного контура, сопротивление которого на резонансной частоте стремится к нулю), а это делает его незаменимым фильтром.

Стоит заметить, что помимо простого колебательного контура, есть ещё колебательные контуры первого, второго и третьего рода, что учитывают потери и имеют другие особенности.

Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника. Внешним источником ЭДС в электрических цепях являются генераторы переменного тока, работающие на электростанциях.

Принцип действия генератора переменного тока легко показать при рассмотрении вращающейся рамки провода в магнитном поле.

В однородное магнитное поле с индукцией В помещаем прямоугольную рамку, образованную проводниками (abсd).

Пусть плоскость рамки перпендикулярна индукции магнитного поля В и ее площадь равна S.

Магнитный поток в момент времени t 0 = 0 будет равен Ф = В*8.

При равномерном вращении рамки вокруг оси OO 1 с угловой скоростью w магнитный поток, пронизывающий рамку, будет изменяться с течением времени по закону:

Изменение магнитного потока возбуждает в рамке ЭДС индукцию, равную

где Е 0 = ВSw - амплитуда ЭДС.

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы рамки с электрической цепью, то под действием ЭДС индукции, изменяющейся со временем по гармоническому закону, в электрической цепи возникнут вынужденные гармонические колебания силы тока - переменный ток .

На практике синусоидальная ЭДС возбуждается не путем вращения рамки в магнитном поле, а путем вращения магнита или электромагнита (ротора) внутри статора - неподвижных обмоток, навитых на сердечники из магнитомягкого материала. В этих обмотках находится переменная ЭДС, что позволяет избежать снятия напряжения с помощью контактных колец.

Явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Оно заключается в том, что электрическая цепь, имеющая реактивные элементы обладает чисто резистивным сопротивлением .

Общее условие резонанса для любого двухполюсника можно сформулировать в виде Im[Z ]=0 или Im[Y ]=0, где Z и Y комплексное сопротивление и проводимость двухполюсника. Следовательно, режим резонанса полностью определяется параметрами электрической цепи и не зависит от внешнего воздействия на нее со стороны источников электрической энергии.

Соленоид представляет собой провод, навитый на круглый цилиндрический каркас. Линии В поля соленоида выглядят примерно так, как показано на рис. 50.1. Внутри соленоида направление этих линий образует с направлением тока в витках правовинтовую систему.

У реального соленоида имеется составляющая тока вдоль оси. Кроме того, линейная плотность тока (равная отношению силы тока к элементу длины соленоида ) изменяется периодически при перемещении вдоль соленоида. Среднее значение этой плотности равно

где - число витков соленоида, приходящееся на единицу его длины, I - сила тока в соленоиде.

В учении об электромагнетизме большую роль играет воображаемый бесконечно длинный соленоид, у которого отсутствует осевая составляющая тока и, кроме того, линейная плотность тока постоянна по всей длине. Причина этого заключается в том, что поле такого соленоида однородно и ограничено объемом соленоида (аналогично электрическое поле бесконечного плоского конденсатора однородно и ограничено объемом конденсатора).

В соответствии со сказанным представим соленоид в виде бесконечного тонкостенного цилиндра, обтекаемого током постоянной линейной плотности

Разобьем цилиндр на одинаковые круговые токи - «витки».

Из рис. 50.2 видно, что каждая пара витков, расположенных симметрично относительно некоторой плоскости, перпендикулярной к оси соленоида, создает в любой точке этой плоскости магнитную индукцию, параллельную оси. Следовательно, и результирующее поле в любой точке внутри и вне бесконечного соленоида может иметь лишь направление, параллельное оси.

Из рис. 50.1 вытекает, что направления поля внутри и вне конечного соленоида противоположны. При увеличении длины соленоида направления полей не изменяются и в пределе при остаются противоположными. Для бесконечного соленоида, как и для конечного, направление поля внутри соленоида образует с направлением обтекания цилиндра током правовинтовую систему.

Из параллельности вектора В оси вытекает, что поле как внутри, так и вне бесконечного соленоида должно быть однородным. Чтобы доказать это, возьмем внутри соленоида воображаемый прямоугольный контур 1-2-3-4 (рис. 50.3; участок идет по оси соленоида). Обойдя контур по часовой стрелке, получим для циркуляции вектора В значение Контур не охватывает токов, поэтому циркуляция должна быть равна нулю (см. (49.7)).

Отсюда следует, что Располагая участок контура 2-3 на любом расстоянии от оси, мы каждый раз будем получать, что магнитная индукция на этом расстоянии равна индукции на оси соленоида. Таким образом, однородность поля внутри соленоида доказана.

Теперь обратимся к контуру 1-2-3-4. Мы изобразили векторы штриховой линией, поскольку, как выяснится в дальнейшем, поле вне бесконечного соленоида равно нулю. Пока же мы знаем лишь, что возможное направление поля вне соленоида противоположно направлению поля внутри соленоида. Контур не охватывает токов; поэтому циркуляция вектора В по этому контуру, равная а, должна быть равна нулю.

Отсюда вытекает, что . Расстояния от оси соленоида до участков 1-4 и 2-3 были взяты произвольно. Следовательно, значение В на любом расстоянии от оси будет вне соленоида одно и то же. Таким образом, оказывается доказанной и однородность поля вне соленоида.

Циркуляция по контуру, изображенному на рис. 50.4, равна (для обхода по часовой стрелке). Этот контур охватывает положительный ток величины . В соответствии с (49.7) должно выполняться равенство

или после сокращения на а и замены на (см. )

Из этого равенства следует, что поле как внутри, так и снаружи бесконечного соленоида является конечным.

Возьмем плоскость, перпендикулярную к оси соленоида (рис. 50.5). Вследствие замкнутости линий В магнитные потоки, через внутреннюю часть 5 этой плоскости и через внешнюю часть S должны быть одинаковыми.

Поскольку поля однородны и перпендикулярны к плоскости, каждый из потоков равен произведению соответствующего значения магнитной индукции и площади, пронизываемой потоком. Таким образом, получается соотношение

Левая часть этого равенства конечна, множитель S в правой части бесконечно большой. Отсюда следует, что

Итак, мы доказали, что вне бесконечно длинного соленоида магнитная индукция равна нулю. Внутри соленоида поле однородно.

Положив в (50.3) , придем к формуле для магнитной индукции внутри соленоида:

Произведение называется числом ампер-витков на метр. При витков на метр и силе тока в 1 А магнитная индукция внутри соленоида составляет .

В магнитную индукцию на оси соленоида симметрично расположенные витки вносят одинаковый вклад (см. формулу (47.4)). Поэтому у конца полубесконечного соленоида на его оси магнитная индукция равна половине значения (50.4): - число витков на единицу его длины). В этом случае

Контур, проходящий вне тороида, токов не охватывает, поэтому для него Таким образом, вне тороида магнитная индукция равна нулю.

Для тороида, радиус которого R значительно превосходит радиус витка, отношение для всех точек внутри тороида мало отличается от единицы и вместо (50.6) получается формула, совпадающая с формулой (50.4) для бесконечно длинного соленоида. В этом случае поле можно считать однородным в каждом из сечений тороида. В разных сечениях поле имеет различное направление, поэтому говорить об однородности поля в пределах его тороида можно только условно, имея в виду одинаковость модуля В.

У реального тороида имеется составляющая тока вдоль оси. Эта составляющая создает в дополнение к полю (50.6) поле, аналогичное полю кругового тока.

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 называемым ярмом.

Бесконечно длинный соленоид - это соленоид, длина которого стремится к бесконечности.

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

$B\_\backslash mathrm\{KP\}\; =\; \backslash frac\; \{1\}\{2\}\; \backslash mu\_0\; n\; I$ (СИ).

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

$E\_\backslash mathrm\{coxp\}\; =\; \{\{\backslash Psi\; I\}\; \backslash over\; 2\}\; =\; \{\{L\; I^2\}\; \backslash over\; 2\},$

Примечание

Источники

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

См. также

Напишите отзыв о статье "Соленоид"

Отрывок, характеризующий Соленоид

Многие историки говорят, что Бородинское сражение не выиграно французами потому, что у Наполеона был насморк, что ежели бы у него не было насморка, то распоряжения его до и во время сражения были бы еще гениальнее, и Россия бы погибла, et la face du monde eut ete changee. [и облик мира изменился бы.] Для историков, признающих то, что Россия образовалась по воле одного человека – Петра Великого, и Франция из республики сложилась в империю, и французские войска пошли в Россию по воле одного человека – Наполеона, такое рассуждение, что Россия осталась могущественна потому, что у Наполеона был большой насморк 26 го числа, такое рассуждение для таких историков неизбежно последовательно.
Ежели от воли Наполеона зависело дать или не дать Бородинское сражение и от его воли зависело сделать такое или другое распоряжение, то очевидно, что насморк, имевший влияние на проявление его воли, мог быть причиной спасения России и что поэтому тот камердинер, который забыл подать Наполеону 24 го числа непромокаемые сапоги, был спасителем России. На этом пути мысли вывод этот несомненен, – так же несомненен, как тот вывод, который, шутя (сам не зная над чем), делал Вольтер, говоря, что Варфоломеевская ночь произошла от расстройства желудка Карла IX. Но для людей, не допускающих того, чтобы Россия образовалась по воле одного человека – Петра I, и чтобы Французская империя сложилась и война с Россией началась по воле одного человека – Наполеона, рассуждение это не только представляется неверным, неразумным, но и противным всему существу человеческому. На вопрос о том, что составляет причину исторических событий, представляется другой ответ, заключающийся в том, что ход мировых событий предопределен свыше, зависит от совпадения всех произволов людей, участвующих в этих событиях, и что влияние Наполеонов на ход этих событий есть только внешнее и фиктивное.

Магнитное поле соленоида представляет собой суперпозицию отдельных полей, которые создаются каждым витком в отдельности. Через все витки протекает один и тот же ток. Оси всех витков лежат на одной лини. Соленоид представляет собой катушку индуктивности, имеющую цилиндрическую форму. Эта катушка намотана из проводящей проволоки. При этом витки уложены плотно друг к другу и имеют одном направление. При этом считается, что длинна катушки значительно превышает диаметр витков.

Давайте рассмотрим магнитную индукцию, создаваемую каждым витком. Видно, что индукция внутри каждого витка направлена в одну и ту же сторону. Если смотреть в центр витка, то индукция от его краев будет складываться. При этом индукция магнитного поля между двух соседних витков направлена встречно. Так как она создана одним и тем же током то она компенсируется.

Рисунок 1 — Поле создаваемое отдельными витками соленоида

Если витки соленоида намотаны достаточно плотно, то между всеми витками встречное поле будет компенсировано, а внутри витков произойдет сложение отдельных поле в одно общее. Линии этого поля будут проходить внутри соленоида, и охватывать его снаружи.

Если исследовать магнитное поле внутри соленоида любыми способами, например, с помощью железных опилок то можно сделать вывод, что оно однородно. Лини магнитного поля в этой области представляют собой параллельные прямые. Мало того что они параллельны сами себе но они еще параллельны оси соленоида. Выходя за приделы соленоида, они искривляются и замыкаются снаружи катушки.

Рисунок 2 — Поле создаваемое соленоидом

Из рисунка видно, что поле создаваемое соленоидом похоже на поле, которое создает постоянный стержневой магнит. На одном конце силовые линии выходят из соленоида и этот конец аналогичен северному полюсу постоянного магнита. А в другой они входят, и этот конец соответствует южному полюсу. Отличие же заключается в том, что поле присутствует и внутри соленоида. И если провести опыт с железными опилками, то они втянутся в пространство между витками.

Но если внутрь соленоида вставить деревянный сердечник либо сердечник из любого другого немагнитного материала, то при проведении опыта с железной стружкой картина поля постоянного магнита и соленоида будет идентична. Так как деревянный сердечник не исказит силовые лини, но при этом не даст проникнуть опилкам внутрь катушки.

Рисунок 3 — Картина поля постоянного стержневого магнита

Для определения полюсов соленоида можно использовать несколько методов. Например, самый простой, использовать магнитную стрелку. Она притянется к противоположному полюсу магнита. Если же известно направление тока в витке полюсы можно определить при помощи правила правого винта. Если вращать головку правого винта в направлении тока, то поступательное движение укажет направление поля в соленоиде. А зная, что поле направлено от северного полюса к южному и можно определить, где какой полюс находится.