Циліндрична обмотка, яка має довжину, значно більше її діаметра, називається соленоїдом. У перекладі з англійської, це слово означає - подібний трубі, тобто, це котушка, схожа на трубу.
Пристрій і принцип дії
Соленоїдом також можна назвати котушку індуктивності, яка намотана дротом на каркас у вигляді циліндра. Такі котушки можуть бути намотані як одним, так і кількома шарами. Так як довжина обмотки набагато більше діаметру, то при підключенні постійної напруги на цю обмотку, всередині котушки утворюється магнітне поле.
Часто соленоїдами називають електромеханічні пристрої, що містять котушку, всередині якої є феромагнітний сердечник. Такі пристрої виконані у вигляді втягують реле автомобільного стартера, різних електроклапанів. Втягує елементом такого своєрідного електромагніту є сердечник з феромагнітного матеріалу.
Якщо в пристрої соленоїда немає сердечника, то при підключенні постійного струму уздовж обмотки утворюється магнітне поле. Індукція цього поля дорівнює:
Де, N - кількість витків в обмотці, l - довжина котушки, I - струм, що протікає по соленоїду, μ0 - вакуумна магнітна проникність.
На кінцях соленоїда величина магнітної індукції в два рази нижче, в порівнянні з внутрішньою частиною, так як дві частини соленоїда спільно утворюють подвійне магнітне поле. Це може бути застосовано до довгого або нескінченного соленоїда, в порівнянні з діаметром каркаса обмотки.
По краях соленоїда магнітна індукція дорівнює:
Так як соленоїди є котушками індуктивності, отже, соленоїд може запасати енергію в магнітному полі. Ця енергія дорівнює роботі, яку здійснюють джерелом, для освіти струму в обмотці.
Цей струм утворює в соленоїді магнітне поле:
Якщо струм в котушці змінюється, то виникає ЕРС самоіндукції. У цьому випадку напруга на соленоїді визначається:
Індуктивність соленоїда визначається:
Де, V - об'єм котушки соленоїда, z - довжина провідника котушки, n - кількість витків, l - довжина котушки, μ0 - вакуумна магнітна проникність.
При підключенні до провідників соленоїда змінної напруги, магнітне поле буде створюватися теж змінним. Соленоїд має опір змінному струму у вигляді комплексу двох складових: активної та реактивної. Вони залежать від індуктивності і електричного опору провідника котушки.
види соленоїдів
За призначенням соленоїди поділяють на два класи:
- Стаціонарні. Тобто, для магнітних полів стаціонарного виду, які довго тримаються при деяких значеннях.
- Імпульсні. Для створення імпульсних магнітних полів. Вони можуть існувати тільки в короткий період часу, не більше 1 с.
Стаціонарні здатні створити поля не більше 2,5 × 10 5 Е. Магніти імпульсного типу можуть створити поля 5 × 10 6 Е. Якщо при створенні поля соленоїди не наражати на деформації і не дуже гріються, то магнітне поле прямо залежить від проходить струму: Н = k * I. де k - постійна величина соленоїда, піддається розрахунку.
Стаціонарні діляться:
Резистивні види виробляють з матеріалів, що володіють електричним опором. У зв'язку з цим вся відповідна до них енергія переходить в теплоту. Щоб уникнути теплового руйнування пристрою, необхідно відвести зайве тепло. Для цих цілей застосовують кріогенне або водяне охолодження. Для цього потрібно допоміжна енергія, порівнянна з необхідною енергією для харчування соленоїда.
Надпровідні пристрої виробляють зі сплавів, що володіють властивостями надпровідності. Їх електричний опір дорівнює нулю при різних температурах під час експерименту. При функціонуванні надпровідного соленоїда теплота виділяється тільки в потрібних провідниках і джерелі напруги. Джерело живлення в цьому випадку можна виключити, так як соленоїд функціонує в короткозамкненим режимі. При цьому поле може існувати без витрати енергії нескінченно довго за умови збереження надпровідності.
Пристрої для створення потужних магнітних полів включають в себе три головні частини:
При проектуванні соленоїда беруть до уваги величини внутрішнього каналу і потужності джерела живлення.
Створення пристрою з резистивним соленоидом для освіти стаціонарних полів є глобальною науково-технічним завданням. У світі, в тому числі і в нашій країні, існує всього кілька лабораторій з подібними пристроями. Застосовуються соленоїди різних конструкцій, експлуатація яких здійснюється близько теплової кордону.
Для обслуговування таких пристроїв необхідний персонал, що складається з працівників високої кваліфікації, робота яких дорого цінується. Велика частина фінансів витрачається на оплату електричної енергії. Експлуатація та обслуговування таких потужних соленоїдів з часом окупається, так як вчені і дослідники різних областей науки, з різних країн можуть отримувати найважливіші результати для розвитку науки.
Найбільш складні і важливі завдання можна вирішити шляхом застосування надпровідних соленоїдів. Цей спосіб більш ефективний, економічний і простий. Для прикладу можна назвати створення потужних стаціонарних полів сверхпроводящими соленоїдами. Найбільш оригінальне властивість надпровідності - це відсутність електричного опору у деяких сплавів і металів при температурі нижче критичної позначки.
Явище надпровідності дозволяє виробляти соленоїд, який не має дисипації енергії при проходженні електричного струму. Однак, утворене поле має обмеження в тому, що при досягненні деякого значення критичного поля властивість надпровідності руйнується, і електричний опір відновлюється.
Критичне поле підвищується при зниженні температури від 0 до максимального значення. Ще в 50-х роках минулого століття відкриті сплави, у яких критична температура знаходиться в інтервалі від 10 до 20 К. При цьому вони мають властивості дуже потужних критичних полів.
Технологія створення таких сплавів і виробництво з них матеріалів для котушок соленоїдів дуже трудомістка і складна. Тому такі пристрої мають високу вартість. Однак їх експлуатація недорога і проста в обслуговуванні. Для цього необхідний лише джерело живлення низької напруги невеликої потужності і рідкий гелій. Потужність джерела знадобиться не вище 1 кіловата. Пристрій таких соленоїдів складається з котушки, виконаної з міді і надпровідника багатожильним проводом, стрічкою або шиною.
Існує можливість зниження енергетичних витрат на створення ще більш потужних полів. Ця можливість реалізується в кількох провідних країнах, в тому числі і в Росії. Такий спосіб заснований на застосуванні комбінації з водоохолоджуваного і надпровідного соленоїдів. Його ще називають гібридним соленоидом. У цьому пристрої інтегруються найбільші досяжні поля обох типів соленоїдів.
Водоохолоджуваний соленоїд повинен знаходитися усередині надпровідного. Створення гібридного соленоїда є об'ємною і складною науково-технічною проблемою. Для її вирішення потрібна робота кількох колективів наукових установ. Подібне гібридний пристрій експлуатується в нашій країні в Академії наук. Там соленоїд з надпровідними властивостями має масу 1,5 тонни. Обмотка виконана із спеціальних сплавів ніобію з цинком і титаном. Обмотка водоохолоджуваного соленоїда виконана мідною шиною.