螺線管

螺線管

螺線管(英文:solenoid)是個三維線圈。在物理學裡,術語螺線管指的是多重卷繞的導線,卷繞內部可以是空心的,或者有一個金屬芯。當有電流通過導線時,螺線管內部會產生均勻磁場。螺線管是很重要的元件·。很多物理實驗的正確操作需要有均勻磁場。螺線管也可以用為電磁鐵或電感器。

定義

在工程學裡,螺線管也指為一些轉換器(transducer),將能量轉換為直線運動。螺線管操作閥(solenoid valve)是一種綜合原件,內中最重要的組件是機電螺線管。機電螺線管是一種機電原件,可以用來操作氣控閥或液壓閥。螺線管開關是一種繼電器,使用機電螺線管來操作電開關。例如,汽車的起動器螺線管是一種機電螺線管。

磁場

再思考迴路c,根據安培定律,因為沒有任何電流穿過迴路c,所以,磁場沿著迴路c的分量的線積分,又稱為磁場繞著迴路c的環流量,等於零。在螺線管內,因為對稱性,磁場繞著迴路c的徑向部分的環流量等於零。但是,螺線管內軸向部分(z-軸方向)的環流量不等於零:朝著正z-軸方向,磁場繞著直線段1的環流量,與朝著負z-軸方向,磁場繞著直線段2的環流量,兩個環流量相等。隨著螺線管趨向於無限長,我們可以假設磁場不相依於z-坐標,在直線段1任意位置的磁場都相等。同樣的,在直線段2任意位置的磁場都相等。所以,在直線段1任意位置的磁場等於直線段2任意位置的磁場。由於我們可以任意改變迴路的尺寸,而得到答案仍舊不變,所以,唯一可能的解釋,就是在螺線管內的磁場是個常數,不隨位置的不同而改變。同樣的論點可以用在迴路a,所以,在螺線管外的磁場是個常數,不隨位置的不同而改變。假設螺線管的管長趨向於無限長,則可以忽略邊緣效應(fringe effect)。如右圖,思考迴路b,使用右手定則來尋找環繞著載流導線的磁場。假若我們將右手握住載流導線,大拇指指向電流方向,則其它手指會指向磁場的方向。對於一個管長很長的螺線管,磁場的徑向部分都因為對稱性而互相抵銷。所以,只有z-分量不等於零。在螺線管內,磁場朝著正z-軸方向;在螺線管外,磁場朝著負z-軸方向。

通電螺線管的極性跟電流方向間的關係,可以用右手螺鏇定則來判斷。就是用右手握住螺線管,讓四根手指彎曲且跟螺線管中電流的方向一致,則大拇指所指的那端就是螺線管的N極。注意:右手螺鏇定則中所說的“電流的方向”是指螺線管中“電流的環繞方向”,右手四根手指的彎曲方向應跟電流的環繞方向一致。

再思考迴路b。根據安培定律,磁場繞著迴路b的環流量是我們可以直覺地表明,在螺線管外的磁場等於零。磁場線只以閉合迴路的形式存在。它不能像電場線一樣地從一點發散出來,或收斂於一點。假設螺線管內的磁場線的方向是朝上,則螺線管外的磁場線的方向是朝下。它們形成一條閉合迴路。但是,外面的體積超大於裡面的體積,外面的磁場線密度超低。在無限遠位置,磁場線密度等於零,磁場等於零。回想到外面的磁場是個常數,因此,外面的磁場也等於零。總結,隨著螺線管趨向於無限長,外面的磁場趨向於零。

Bh = μ0nih;其中,B是磁場,h是迴路b的軸向長度,μ0是真空磁導率,n是單位長度的線圈數,i是電流。

所以,磁場是

B = μ0ni。這個方程只對空心的螺線管有效。假設,螺線管內中含有金屬芯(例如鐵芯),則雖然其它參數不變,磁場的大小會有所改變。用方程表達

B = μ0μrni;其中,μr是金屬芯的相對磁導率(relative permeability)。

磁場又可以用金屬芯的磁導率μ = μ0μr來表達為

B = μni。

機電螺線管

機電螺線管常見於電子彈珠檯、點陣式印表機、燃料噴射裝置等等。機電螺線管是由電磁感應線圈,卷繞於可移動的不鏽鋼或鐵材質的電樞(armature)外面,所組成的機電原件。當感應線圈乘載電流時,會有磁場產生,感應線圈變成一個電磁鐵,吸引或排斥電樞,造成電樞的移動。這機制所給出的機械力可以用來操控其它機械(像氣控閥或液壓閥)。機電螺線管給出的是近距離作用力;對於遠距離,作用力會顯得微弱。由於可以用控制電路直接控制,機電螺線管的反應時間非常快速。

螺線管氣控閥

螺線管氣控閥是一種開關,運送空氣給氣控原件。後者通常是某種致動器。螺線管是由一個小尺寸線性螺線管與一個平衡的,易移動的金屬芯組成的。螺線管可以控制金屬芯的位置,引導氣體流往正確的進氣口。這共同組成的氣閥,使得小量的電流施加於螺線管,就能夠引導高氣壓的氣體,通常高至100 psi(7 bar, 0.7 MPa, 0.7 MN/m2)。有些螺線管的操作規格遠超過這氣壓。

螺線管氣控閥的操作原理就好像電晶體,允許使用少量的訊號來控制很大的元件。它也是電子控制器和氣控系統之間的接口元件。

螺線管液壓閥

一般而言,螺線管液壓閥的運作原理類似於螺線管氣控閥。主要的不同處是,螺線管液壓閥控制液壓油的流動,液壓通常大約為3000 psi(210 bar, 21 MPa, 21 MN/m2)。在航空製造業里,液壓機械使用螺線管來操控液壓油的流動致動器,給予致動器足夠的力量來彎曲鈦金屬板。

螺線管操控的閥門常常用於農業灌溉系統。在這裡,使用相當便宜的小尺寸螺線管來開啟或關閉一個小前嚮導閥,讓少量的水施加液壓於活塞。後者機械地耦合於主閥門,有足夠的力量來開關主閥門。

變速器螺線管(transmission solenoid)依賴機電作用力來調整液壓油流過自動變速器的流量。離合器螺線管通常裝設於變速器的閥體內部。

汽車起動器螺線管

在汽車內,起動器螺線管(starter solenoid)是汽車起動器(starter)系統的一部分,又稱為起動繼電器。當駕駛者轉動鑰匙來發動汽車時,車子的電池送出一小股電流到起動器螺線管,關閉一對重形接觸。這動作允許電池送出一大股電流到汽車的起動器馬達,供給馬達的起動。

相關結構

螺線管螺線管

螺線管 solenoid

【細胞生物學】

真核細胞染色質包裝的二級結構。有組蛋白H1存在時,直徑10nm的核小體串珠結構螺鏇盤繞,形成外徑30nm、內徑10nm、螺距11nm的一種染色質結構;螺鏇的每圈有6個核小體,組蛋白H1對這一結構的穩定起重要作用。(圖)

【電磁學】

(也叫線圈 coil)

由導線均勻繞成的圓筒形線圈,其長度遠大於其直徑。直流電通過導線時產生磁場,把插棒式鐵心吸進螺線管中;插棒式鐵心的運動常用於驅動開關、繼電器或其他裝置。

螺線管的磁性大小與線圈匝數,線管粗細,鐵心有無,鐵心粗細,線圈疏密,鐵心材料,通過電流大小,線圈材料,電壓大小有關.

通電螺線管的極性跟電流方向的關係,可以用安培定則來判定:用右手握螺線管,讓四指指向螺線管中電流方向,則大拇指所指的那端就是螺線管的N極

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