Соленоид

Соленоидът е индуктивна намотка, направена под формата на изолиран проводник, навит върху цилиндрична рамка, през която протича електрически ток. Соленоидът е система от кръгови токове с еднакъв радиус, имащи обща ос в съответствие с фигура 3.2-а.

Фигура 3.2 - Соленоид и неговото магнитно поле

Ако мислено прережете завоите на соленоида напречно, посочите посоката на тока в тях, както е посочено по-горе, и определите посоката на линиите на магнитната индукция според „правилото на гимлета“, тогава магнитното поле на целия соленоид ще имат формата, както е показано на фигура 3.2-b.

На оста на безкрайно дълъг соленоид, на всяка единица дължина, от която са навити n 0 навивки, силата на полето се определя по формулата:

В мястото, където магнитните линии влизат в соленоида, се образува южен полюс, а там, където излизат, се образува северен полюс.

За да определят полюсите на соленоида, те използват „правилото на гимлет“, като го прилагат по следния начин: ако поставите гимлета по оста на соленоида и го завъртите по посока на тока в завоите на соленоида, тогава транслационното движение на гимлета ще покаже посоката на магнитното поле в съответствие с Фигура 3.3.

Фигура 3.3 - Приложение на правилото на гимлета

Соленоид, вътре в който има стоманена (желязна) сърцевина в съответствие с фигура 3.4, се нарича електромагнит. Магнитното поле на електромагнита е по-силно от това на соленоида, тъй като парче стомана, поставено в соленоида, се намагнетизира и полученото магнитно поле се засилва.

Полюсите на електромагнита могат да бъдат определени, точно както тези на соленоида, като се използва "правилото на гимлета".

Фигура 3.4 - Полюси на соленоид

Магнитният поток на соленоид (електромагнит) се увеличава с броя на навивките и тока в него. Магнетизиращата сила зависи от произведението на тока и броя на навивките (броя на ампер-навивките).

Ако, например, вземем соленоид, чиято намотка носи ток от 5А и чийто брой навивки е 150, тогава броят на ампер-навивките ще бъде 5*150=750. Същият магнитен поток ще се получи, ако направите 1500 навивки и прекарате през тях ток от 0,5 A, тъй като 0,5 * 1500 = 750 ампер навивки.

Можете да увеличите магнитния поток на соленоида по следните начини:

а) поставете стоманена сърцевина в соленоида, превръщайки го в електромагнит;

б) увеличаване на напречното сечение на стоманената сърцевина на електромагнита (тъй като за даден ток, сила на магнитното поле и следователно магнитна индукция, увеличаването на напречното сечение води до увеличаване на магнитния поток);

в) намалете въздушната междина на електромагнита (тъй като когато пътят на магнитните линии през въздуха се намали, магнитното съпротивление намалява).

Индуктивност на соленоида.Индуктивността на соленоида се изразява, както следва:

където V е обемът на соленоида.

Без използването на магнитен материал, плътността на магнитния поток B в намотката е практически постоянна и равна на

B = ?0Ni/l (3.9)

N - брой завои;

l е дължината на намотката.

Пренебрегвайки ефектите на ръбовете в краищата на соленоида, откриваме, че връзката на потока през намотката е равна на плътността на потока B, умножена по площта на напречното сечение S и броя на завоите N:

Това предполага формула за индуктивността на соленоида, еквивалентна на предишните две формули

DC соленоид.Ако дължината на соленоида е много по-голяма от неговия диаметър и не се използва магнитен материал, тогава, когато токът протича през намотката вътре в бобината, се създава магнитно поле, насочено по оста, което е равномерно и за постоянен ток е равно на величина

Където? 0 - магнитна проницаемост на вакуума;

n = N / l - брой навивки на единица дължина;

I е токът в намотката.

Когато тече ток, соленоидът съхранява енергия, равна на работата, която трябва да се извърши, за да се установи текущият ток аз. Големината на тази енергия е равна на

Когато токът се промени в соленоида, възниква емф на самоиндукция, чиято стойност е

AC соленоид.При променлив ток соленоидът създава променливо магнитно поле. Ако соленоидът се използва като електромагнит, тогава при променлив ток величината на силата на привличане се променя. В случай на котва, изработена от мек магнитен материал, посоката на силата на привличане не се променя.

В случай на магнитна арматура посоката на силата се променя. При променлив ток соленоидът има комплексно съпротивление, чийто активен компонент се определя от активното съпротивление на намотката, а реактивният компонент се определя от индуктивността на намотката.

Приложение на соленоиди. DC соленоидите най-често се използват като линейно задвижване. За разлика от конвенционалните електромагнити, той осигурява дълъг ход. Силовата характеристика зависи от структурата на магнитната система (сърцевина и корпус) и може да бъде близка до линейната. Соленоиди задвижват ножици за рязане на билети и квитанции в касови апарати, ключалки, клапани в двигатели, хидравлични системи и др.

AC соленоидите се използват като индуктор за индукционно нагряване в индукционни тигелни пещи.

Електромагнитите са намерили широко приложение в апаратостроенето както като задвижващ елемент на устройството (контактори, стартери, релета, автомати, превключватели), така и като устройство, което създава сили, например в съединители и спирачки.

За даден поток спадът на магнитния потенциал намалява с намаляване на магнитното съпротивление. Тъй като съпротивлението е обратно пропорционално на магнитната проницаемост на материала, за даден поток магнитната проницаемост трябва да бъде възможно най-висока. Това ви позволява да намалите м.ф. намотки и мощност, необходими за работа на електромагнита; Размерите на прозореца за навиване и целия електромагнит са намалени. Намаляване на m.f.s. при непроменени други параметри намалява температурата на намотката.

Вторият важен параметър на материала е индукцията на насищане. Силата, развивана от електромагнита, е пропорционална на квадрата на индукцията. Следователно, колкото по-голяма е допустимата индукция, толкова по-голяма е развитата сила за същите размери.

След като намотката на електромагнита е изключена, в системата има остатъчен поток, който се определя от коерцитивната сила на материала и проводимостта на работната междина. Остатъчният поток може да причини залепване на арматурата. За да се избегне това явление, се изисква материалът да има ниска коерцитивност.

Основни изисквания са ниската цена на материала и неговата технологичност.

Наред с посочените свойства, магнитните характеристики на материалите трябва да бъдат стабилни (да не се променят от температура, време, механични удари).

В резултат на изчисляване на магнитната верига се определя необходимата магнитодвижеща сила (MMS) на намотката. Намотката трябва да бъде проектирана по такъв начин, че от една страна да осигурява необходимия MMF, а от друга страна, така че максималната й температура да не надвишава допустимата за използвания клас на изолация.

В зависимост от метода на свързване се разграничават намотки за напрежение и намотки за ток. В първия случай напрежението, приложено към намотката, е постоянно в ефективната си стойност, във втория - съпротивлението на намотката на електромагнита е много по-малко от съпротивлението на останалата част от веригата, което определя постоянната стойност на тока.

Изчисляване на намотката на DC електромагнит.

Фигура 72 показва магнитната верига и намотката на електромагнита. Навиване 1 намотките са направени с изолиран проводник, който е навит върху рамката 2.

Макарите могат да бъдат и без рамки. В този случай витките на намотките се закрепват с лента или листова изолация или смес за заливане.

За да се изчисли намотката на напрежението, трябва да се посочи напрежението Uи MDS. Напречно сечение на намотъчния проводник рнамираме, въз основа на необходимия MDS:

където е съпротивлението;

– средна дължина на намотката (Фигура 72);

Р– съпротивление на намотката, равно на

При постоянна средна дължина на намотката и даден MMF, тя се определя от продукта.

Ако при постоянно напрежение и средна дължина на завоя е необходимо да се увеличи MMF, тогава е необходимо да вземете проводник с по-голямо напречно сечение. В този случай намотката ще има по-малко навивки. Токът в намотката ще се увеличи, тъй като съпротивлението му ще намалее поради намаляване на броя на завъртанията и увеличаване на напречното сечение на проводника.

Въз основа на намереното напречно сечение, използвайки таблици за оразмеряване, се намира най-близкият стандартен диаметър на проводника.

Фигура 72 – Изчисляване на намотката на електромагнита

Мощността, отделена в намотката под формата на топлина, се определя, както следва:

Броят на намотките за дадено напречно сечение на намотката се определя от коефициента на запълване с мед

където е площта, заета от медта на намотката;

– сечение на намотката за мед.

Брой завои

.

Тогава мощността, консумирана от намотката, се определя от израза

.

За да се изчисли текущата намотка, първоначалните параметри са MMF и ток на веригата. Броят на навивките на намотката се намира от израза. Напречното сечение на проводника може да бъде избрано въз основа на препоръчителната плътност на тока, равна на 2...4 A/mm 2 за продължително време, 5...12 A/mm 2 за периодично, 13...30 A/ mm 2 за краткотрайни режими на работа. Тези стойности могат да бъдат увеличени приблизително 2 пъти, ако експлоатационният живот на намотката и електромагнита не надвишава 500 часа. Площта на прозореца, заета от обикновена намотка, се определя от броя на завоите и диаметъра на проводника д

Еднослойният индуктор е жица, навита в спирала. За да се осигури твърдост, жицата обикновено се навива около цилиндрична рамка. Следователно в Coil32 размерите на рамката и диаметърът на проводника се приемат като първоначални параметри, т.к. те са по-лесни за практически измерване. Формулите за изчисление обаче използват геометричните параметри на самата спирала. За да избегнете объркване, можете да прочетете повече за тези тънкости на тази помощна страница.

Еднослойните намотки са широко разпространени, особено за късовълнови и средновълнови любителски и излъчващи ленти. Основните свойства на еднослойните бобини са висок качествен фактор, сравнително малък вътрешен капацитет и лекота на производство. Нека разгледаме методите за изчисляване на такава намотка без празнина между завоите - " завой до завой"...

Нека започнем с факта, че в края на 19 век Х.А. Лоренц извежда формула, използвайки елиптични интеграли за изчисляване на соленоида. Разликата между модела на Лоренц и модела на Максуел беше фактът, че завоите на соленоида бяха представени не от безкрайно тънък кръгъл проводник, а от безкрайно тънка спирална проводяща лента с ширина, равна на действителната дебелина на проводника, без празнина между завоите. Формулата е много точна при изчисляване на истинска намотка, ако последната има голям брой навивки и е навита завой по завой. През 1909 г. японският физик Х. Нагаока трансформира формулата на Лоренц и я привежда във форма, от която следва важен извод - Индуктивността на соленоида зависи единствено от формата и размера на намотката. Формулата на Нагаока е следната:

• L s - индуктивност на бобината
• н- брой намотки на бобината
• r- радиус на навиване
• л- дължина на намотката
• к л- Коефициент на Нагаока

Най-важното заключение от анализа на тази формула е, че коефициентът на Нагаока зависи само от съотношението l/D, което се нарича форм факторбобини. Коефициентът на Nagaoka беше изчислен с помощта на елиптични интеграли. Няма да се спираме по-подробно на тази формула, т.к. Coil32 не го използва в изчисленията. Струва си да се отбележи само, че в случай на дълъг соленоид формулата се опростява до следната форма:

където S е площта на напречното сечение на намотката. Тази формула е само от академичен интерес и не е подходяща за изчисляване на реални намотки, тъй като важи само за безкрайно дълги соленоиди, които не съществуват в природата.

Еднослойна намотка може да се изчисли числено, като се използва формулата на Максуел или формулата на соленоида на Нагаока. Съвременните емпирични формули обаче осигуряват много висока точност на изчисленията и са напълно достатъчни за практически цели.

Ще започнем прегледа и избора на емпирични формули с най-известната формула на Г. Уилър. Обикновено тази формула се използва най-често в различни програми, онлайн калкулатори, справочници и статии, посветени на изчисленията на индуктивността.

В оригинал тази формула изглежда така:

L = a 2 N 2 / (9 a + 10 b)

Където н - брой завъртания и а И b - съответно радиуса и дължината на намотката на бобината. Размери в инчове. Като адаптираме тази формула за метричната система (или по-скоро за GHS) и променим радиуса на диаметъра, получаваме следното:

• Л- индуктивност на бобината [µH];
• н- брой навивки на бобината;
• д- диаметър на намотката [cm];
• л- дължина на намотката [cm];

Това е нашата най-известна версия на тази формула. Преди това на уебсайта на Санкт Петербургския университет по телекомуникации - sut.ru имаше доста информативен ресурс - dvo.sut.ru, където можете да намерите много информация за индукторите, включително тази формула. Този ресурс вече е изтрит за съжаление. Но успяхме да открием клонинг на този ресурс на qrz.ru, към който дори мигрира старата грешка (0,5е1,0) във формула 2.37. Там можете да намерите както формулата на Нагаока (формула 2.28), така и израза за коефициента на Нагаока чрез формулата на Уилър (формула 2.29).

Формулата е предложена от Уилър още през 1928 г., когато компютрите все още са били само мечтани и е била много полезна по онова време, т.к. направи възможно изчисляването на практическа намотка „в колона“ върху лист хартия. Формулата се е „вкоренила” в масовото съзнание на радиолюбителите. Малко хора обаче знаят, че тя, както всяка емпирична формула, има ограничения. Тази формула дава грешка до 1% за l/D > 0,4, тоест ако намотката не е твърде къса. Тази формула не е подходяща за къси намотки.

Последваха няколко опита за отстраняване на този недостатък. През 1985 г. R. Lundin публикува своите две емпирични формули, едната за „дълги“ намотки, другата за „къси“ намотки, което позволява да се изчисли коефициентът на Nagaoka с точност не по-малка от 3ppM (±0,0003%), което е несъмнено по-висока от точността на производство или измерванията на индуктивността на бобината. Ето един калкулатор, базиран на тези формули.
През 1982 г., 54 години по-късно, с настъпването на компютърната ера, Уилър публикува своята „дълга“ формула, която изчислява еднослойна намотка с грешка не повече от ±0,1%, както дълга, така и къса. Тази формула по-късно е подобрена от R. Rosenbaum, а впоследствие и от R. Weaver (Robert Weaver - анализ и извеждане на формулата на неговия уебсайт).

• Dk- диаметър на намотката
• н- брой завои
• k = l/Dk- коефициент на формата на намотката, съотношението на дължината на намотката към нейния диаметър

В резултат на това имаме формула, която ни позволява да изчислим еднослойна намотка с точност най-малко 18,5 ppM (в сравнение с формулата на Nagaoka), което е по-лошо от използването на формулите на Lundin, но първо, това е доста достатъчно за практически изчисления, и второ, имаме една по-проста формула вместо две, изчислявайки еднослойна намотка, независимо от нейния форм-фактор.

Формулата се използва в онлайн калкулатора за еднослойна намотка, по-старите версии на Coil32, както и във всички версии на програмата за Linux и в приложението J2ME за мобилни телефони.

Основната версия на Coil32 за Windows, както и започвайки с версия 3.0 за Android, използва по-сложен метод за изчисляване на еднослойна намотка, като се вземе предвид спиралната форма на завоите и произволна стъпка на навиване.

През 1907 г. Е. Роза, сравнявайки изчисленията по метода на Максуел и метода на Лоренц, извежда

Скици на еднофазни: електромагнити с променлив ток с различни видове магнитни ядра са показани на фиг. 2.1 - 2.3. Стойността на амплитудата на магнитния поток Ф m при ефективната стойност на захранващото напрежение U, честотата f и броя на завъртанията на намотката W, без да се отчита активното съпротивление на намотката, се определя по формулата

Ф m = U/(4, 44 f W) . (2.1)

Броят на завъртанията на намотката е приблизително равен на

W = U/ (4,44 f Ф m) . (2.2)

Като се вземе предвид активното съпротивление на намотката (коефициент k n =0,7 + 0,9) при дадена индукция в работната междина B em и активното напречно сечение на магнитната верига S m, броят на завоите

W = k n U/ (4, 44 f B em S m) . (2.3)

Стойността на амплитудата на силата за еднофазни системи без екранираща намотка с равномерно поле в работната междина и ненаситена магнитна система се определя от формулата на Максуел (2):

R em = Ф 2 m / (2m 0 S p), (2.4)

където S p е площта на полюса, m 2.

Средна сила

Р mψ = Р em / 2. (2,5)

Ако магнитният поток се променя според синусоидалния закон Ф i = Ф m sinwt, тогава моментната стойност на електромагнитната сила, съгласно (2.4),

Re i = R em sin 2 wt = R em (1-cos 2wt). (2,6)

В работите са дадени методи за определяне на електромагнитната сила Р e като функция от размера на междината, както и времето за електромагнити с променлив ток.

Фиг.2.1. Скица на електромагнит с променлив ток с прибираща се арматура с квадратно напречно сечение: 1 - арматура; 2 - скелет; 3 – намотка

При определяне на основните размери и параметри на еднофазни електромагнити с екраниращи завъртания, площта на напречното сечение на полюса (m2) може да се намери с помощта на приблизителна формула, получена от уравнението на Максуел въз основа на условието за липса на вибрации на котвата

S p = 1,12 k p R pr k ·10 -5 / V 2 d m , (2,7)

където k p = (1.1 - 1.3) - коефициент на сигурност на силата; B 2 d m = (1/1.2) T l - индукция в работната междина, която е избрана близо до коляното на кривата на намагнитване на използваните стомани; P pr.k - изчислено противодействие с привлечена котва, N (за електромагнит с две намотки с две работни междини P' pr.k = 0,5P pr.k; S p =b·a - площ на напречното сечение на полюсът, g; v/a= 1…2 - отношение на ширината на полюса към неговата дебелина.

Ориз. 2.3 Скица на U-образен соленоид на AC клапан; 1 - котва; 2 - сърцевина; 3 - основа; 4 - намотка; 5 - екранираща намотка

За двунамотков електромагнит с квадратно полюсно напречно сечение размерът на страната на квадрата (m), определен по приблизителната формула и условията за превишаване на средната електромагнитна сила от противодействащата, е равен на

където R p p е силата за тази точка от противоположната характеристика, в която произведението на силата и празнината е максимално.

С полюсната площ S p, избрана съгласно уравнение (2.7), ширината на полюса (m) (приемайки квадратно напречно сечение) е равна на

където ∆ жлеб е ширината на жлеба за екраниращата намотка, избрана по конструктивни причини, m; k зс - коефициент на запълване на стомана.

Оразмерете 2 екранирани полюсни части

a 2 = (b - ∆ жлеб)/ (1+ Ад), (2.10)

Където А e = 0,25 - 0,5 - съотношението на площта на неекранираната част на полюса и екранираната.

Оразмерете 1 неекранирана част от стълба

a 1 = a e a 2. (2.11)

Електрическо съпротивление на екраниращата бобина (Ohm)

1.11 π f μ 0 S n /δ k, (2.12)

където δ k е крайната междина между арматурата и полюса, m.

Височина на намотката на екрана (m)

h in = 2 (b +a 2 +2∆ in) / r in ∆ in, (2.13)

където ∆ in е дебелината на рулона, m; = - специфично електрическо съпротивление на материала на екраниращата намотка при температура на нагряване Q. Ohm-m; д- температурен коефициент на съпротивление, I/o C; - специфично електрическо съпротивление на материала на намотката при Q 0 , Ом-м.

Определят се полюсната площ S e = a 2 b, покрита от завоя, и полюсната площ S n = a 1 b, непокрита от завоя. Ако пренебрегнем загубите на мощност в намотката с късо съединение и спада на MMF върху стоманените секции на магнитната верига, тогава можем да изчислим ъгъла на изместване между магнитните потоци, преминаващи през тези части на полюса.

φ = arctg φ ≈ arctg ω λ δeq / τ in, (2.14)

където λ δek е проводимостта на междината в екранираната част на полюса с привлечена котва. Практически достига φ = 90 o невъзможно и обичайно φ =50 - 80°.

Моментните стойности на силата за неекранираните P en i и екранираните P e i части на полюса могат да бъдат определени по формулите, съответно

P en i = P en m (1-cos 2 ωt) /2. (2,15)

P ee i = P ee m (1-cos 2 ωt) /2. (2.16)

къде са амплитудите на силата

P en m = Ф 2 n m / (2 μ 0 S n). (2.17)

P eet = Ф 2 e m / (2 μ 0 S 0). (2.18)

Амплитуди на магнитния поток:

F n m = F n m S n / S n. (2.19)

F e m = F e m S e / S n. (2,20)

Средната стойност на общата сила, действаща върху котвата, е

P eΣ = P en m / 2 + P e e m / 2 = P ensr + P eesr. (2,21)

Максимални и минимални сили, действащи върху котвата

P eΣ max = P eΣ + P ~ m, (2.22)

P eΣ min = P eΣ - P ~ m, (2.23)

Къде е амплитудата на силата на променливия компонент.

Промяната на електромагнитните сили във времето е показана на фиг. 2.4.

За да се елиминира вибрацията на арматурата, трябва да бъде изпълнено условието P Σ min >P mech. Ако условието му не е изпълнено, тогава параметрите на екрана варират.

MMF на намотката (A) за електромагнит с две намотки с две екраниращи навивки се определя по приблизителната формула

, (2.24)

За магнитни системи с външна привличаща арматура, MMF на намотката (A), без да се отчита магнитното съпротивление на стоманата при даден поток в работната междина Ф δm, се намира по формулата

, (2.25)

където Z δ Σ е общото магнитно съпротивление, G n -1, изразът за който се намира от еквивалентната верига на магнитната верига. За приблизителни изчисления може да се приеме. Z δ Σ ≈ R δ Σ.

Площ на напречното сечение на намотъчния проводник (m2)

q = F / W ∆ pr, (2.26)

където ∆ pr е плътността на тока в проводника, N/m.

Площта на прозореца на намотката на една намотка в електромагнит с две намотки (m2) е равна на

Q 0 = 0,5 g W/ k z.m, (2,27)

където k z.m. - коефициент на запълване на намотката за мед. Индуктивност на намотката

L = W 2 λ mΣ , (2.28)

където λ mΣ е еквивалентната магнитна проводимост на системата, H.

Стартовият ток (A) при първоначалната противоположна сила P pr (N) за двунамотков електромагнит с две работни междини е равен на

, (2.29)

където dL/dδ е производната на индуктивността по протежение на арматурата при първоначалната работна междина, H/m.

Амплитудна стойност на стартовия ток при съпротивление на намотката r 0

, (2.30)

където U m е стойността на амплитудата на захранващото напрежение.

Време за реакция на релето

Минимално и максимално начално време

t tr min = (arcsin k i tr) / (2 π f), (2.32)

t tr max = [(arcsin (1-k i tr) – arcsin (1-k i tr)] / (2 π f) (2.33),

където k i tr = I tr /I m

Минимално и максимално време на шофиране

където d е коефициентът на разсейване; Ф m - амплитуда на магнитния поток B Σ, равна на

Средната стойност на теглителната (електромагнитна) сила на електромагнит (N) се определя от енергийната формула

, (2.38)

където I = U/Z - ток в намотката, A; ψ = E/(2 π f) – ефективна стойност на средната потокова връзка, V δ ;

EMF намотка; dψ/dδ, dI/dδ - производни, определени по метода на графично диференциране на зависимостите I = f (δ) и ψ = f (δ); -

импеданс на намотката.

Конструкцията на характеристиката на сцеплението P esr = f (δ) се извършва в следната последователност: като се има предвид размерът на празнината, определете λ me, Z, I, E, ψ, начертайте зависимостите I = f (δ) и ψ = f (δ), определете графично производните и dψ/dδ, dI/dδ. Тези стойности се заместват във формула (2.38).

Тестова задача № 3. Изчисляване на релета за постоянно напрежение на рийд ключове

Изходни данни

Студентите, чиито предпоследни цифри от номера на книжката са от 0 до 3, използват рид ключове тип КЕМ-1, от 3 до 7 - тип КЕМ-2 и от 7 до 9 - тип КЕМ-6. Номерът на опцията се избира според последната цифра от номера на книжката за оценки в Таблица 3.1.

Необходимо е да се изберат параметрите на управляващата намотка за релета за напрежение с вътрешни рийд ключове.

Цилиндрична намотка, чиято дължина е значително по-голяма от нейния диаметър, се нарича соленоид. Преведено от английски, тази дума означава „като тръба“, тоест това е намотка, подобна на тръба.

Видове соленоиди

Според предназначението си соленоидите се разделят на два класа:

1. Стационарен. Тоест за стационарни магнитни полета, които продължават дълго време при определени стойности.
2. Пулс. За създаване на импулсни магнитни полета. Те могат да съществуват само за кратък период от време, не повече от 1 секунда.

Стационарен способни да създават полета от не повече от 2,5x10 5 Oe. Импулсните соленоиди могат да създават полета от 5x10 6 Oe. пряко зависи от преминаващия ток: Н = k*I, Където к– постоянна стойност на соленоида, подлежаща на изчисляване.

Стационарните са разделени:

• Резистивен.
• Свръхпроводящ.

Резистивен соленоидите са направени от материали, които имат електрическо съпротивление. В тази връзка цялата енергия, която се приближава до тях, се превръща в топлина. За да се избегне термично разрушаване на устройството, е необходимо да се отстрани излишната топлина. За тези цели се използва криогенно или водно охлаждане. Това изисква спомагателна енергия, сравнима с енергията, необходима за захранване на соленоида.

Свръхпроводящ соленоидите са направени от сплави със свръхпроводящи свойства. Електрическото им съпротивление е нула при различни температури по време на експеримента. Когато работи свръхпроводящ соленоид, топлина се генерира само в подходящи проводници и източник на напрежение. В този случай източникът на захранване може да бъде изключен, тъй като соленоидът работи в режим на късо съединение. В този случай полето може да съществува без консумация на енергия безкрайно дълго време, при условие че се поддържа свръхпроводимост.

Устройствата за създаване на мощни магнитни полета включват три основни части:

1. Соленоид.
2. Източник на ток.
3. Охладителна система.

При проектирането на соленоид се вземат предвид размерите на вътрешния канал и мощността на източника на захранване.

Създаването на устройство с резистивен соленоид за формиране на стационарни полета е глобална научно-техническа задача. В света, включително и у нас, има само няколко лаборатории с подобни апарати. Използват се соленоиди с различни конструкции, чиято работа се извършва близо до термичната граница.

За обслужване на такива устройства е необходим персонал, състоящ се от висококвалифицирани работници, чиято работа е високо ценена. По-голямата част от средствата се изразходват за плащане на електроенергия. Експлоатацията и поддръжката на такива мощни соленоиди се изплащат с времето, тъй като учени и изследователи в различни области на науката, от различни страни, могат да получат най-важните резултати за развитието на науката.

Най-сложните и важни проблеми могат да бъдат решени чрез използване на свръхпроводящи соленоиди. Този метод е по-ефективен, икономичен и прост. Например, можем да споменем създаването на мощни стационарни полета чрез свръхпроводящи соленоиди. Най-оригиналното свойство на свръхпроводимостта е липсата на електрическо съпротивление в някои сплави и метали при температури под критична стойност.

Феноменът на свръхпроводимостта прави възможно производството на соленоид, който не разсейва енергия по време на преминаването на електрически ток. Генерираното поле обаче има ограничение, тъй като когато се достигне определена стойност на критичното поле, свойството свръхпроводимост се унищожава и електрическото съпротивление се възстановява.

Критичното поле се увеличава, когато температурата намалява от 0 до най-високата стойност. Още през 50-те години на миналия век са открити сплави, чиято критична температура е в диапазона от 10 до 20 K. Освен това те имат свойствата на много мощни критични полета.

Технологията за създаване на такива сплави и производството на материали за соленоидни бобини от тях е много трудоемка и сложна. Следователно такива устройства имат висока цена. Те обаче са евтини за работа и лесни за поддръжка. Това изисква само захранване с ниско напрежение с ниска мощност и течен хелий. Източникът на мощност ще се нуждае от не повече от 1 киловат. Устройството на такива соленоиди се състои от намотка, изработена от мед и свръхпроводник с многожилен проводник, лента или шина.

Възможно е да се намалят разходите за енергия, за да се създадат още по-мощни полета. Тази възможност се прилага в няколко водещи страни, включително Русия. Този метод се основава на използването на комбинация от водно охлаждане и свръхпроводящи соленоиди. Нарича се още хибриден соленоид. Това устройство интегрира най-високите постижими полета на двата вида соленоиди.

Соленоидът с водно охлаждане трябва да се намира вътре в свръхпроводящия. Създаването на хибриден соленоид е обемен и сложен научно-технически проблем. Решаването му изисква работата на няколко екипа от научни институции. Подобно хибридно устройство се използва и у нас в Академията на науките. Там соленоид със свръхпроводящи свойства има маса от 1,5 тона. Намотката е изработена от специални сплави на ниобий с цинк и титан. Намотката на соленоида с водно охлаждане е направена от медна шина.

Устройство и принцип на действие

Соленоид може да се нарече и индукторна бобина, която е навита с тел върху рамка под формата на цилиндър. Такива намотки могат да бъдат навити в един или няколко слоя. Тъй като дължината на намотката е много по-голяма от диаметъра, когато към тази намотка е свързано постоянно напрежение, вътре в намотката се образува напрежение.

Електромеханичните устройства, които съдържат намотка с феромагнитна сърцевина вътре, често се наричат ​​соленоиди. Такива устройства са направени под формата на релета за прибиране на автомобилни стартери и различни електрически клапани. Прибиращият елемент на такъв уникален електромагнит е сърцевина, изработена от феромагнитен материал.

Ако в соленоидното устройство няма сърцевина, тогава при свързване на постоянен ток се образува магнитно поле по протежение на намотката. Индукцията на това поле е равна на:

Където, н– брой навивки в намотката, л– дължина на намотката, аз– ток, протичащ през соленоида, μ0

В краищата на соленоида големината на магнитната индукция е два пъти по-ниска в сравнение с вътрешната част, тъй като двете части на соленоида заедно образуват двойно магнитно поле. Това се отнася за дълъг или безкраен соленоид в сравнение с диаметъра на рамката за навиване.

В краищата на соленоида магнитната индукция е равна на:

Тъй като соленоидите са индуктори, следователно соленоидът може да съхранява енергия в магнитно поле. Тази енергия е равна на работата, извършена от източника за генериране на ток в намотката.

Този ток образува магнитно поле в соленоида:

Ако токът в бобината се промени, възниква самоиндуцирана емф. В този случай напрежението на соленоида се определя:

Индуктивността на соленоида се определя от:

Където, V– обем на соленоида, z– дължина на проводника на намотката, н– брой завъртания, л– дължина на намотката, μ0 - вакуумна магнитна проницаемост.

При свързване на соленоид за променливо напрежение към проводниците, магнитното поле също ще се създаде като променливо. Соленоидът има устойчивост на променлив ток под формата на комплекс от два компонента: . Те зависят от индуктивността и електрическото съпротивление на проводника на намотката.