螺線管

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螺線管繪圖
螺線管產生的磁場(截面示圖)

螺線管(英文:solenoid)是個三維線圈。在物理學裏,術語螺線管指的是多重捲繞的導線,捲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電感器

工程學裏,螺線管也指為一些轉換器transducer),將能量轉換為直線運動。电磁阀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[编辑]

在這簡圖裏,螺線管以圓柱表面表示。電流i流動於螺線管的導線。a, b, c是三個用來計算磁場的安培閉合迴路。

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。

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,可以假設磁場跟z-坐標無關,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。

磁場線只以閉合迴路的形式存在。

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,外面的體積超大於裏面的體積,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。

再思考迴路b。根據安培定律,磁場繞著迴路b的環流量是

Bh=\mu_0 n ih

其中,B是磁場,h是迴路b的軸向長度,\mu_0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=\mu_0 ni

這個方程式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。用方程式表達

B=\mu_0 \mu_r ni

其中,\mu_r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\mu=\mu_0\mu_r來表達為

B=\mu n i

機電螺線管[编辑]

一個在1920年代大批生產的螺線管,是機電引動器的重要零件。

機電螺線管是由電磁感應線圈,捲繞於可移動的不銹鋼材質的電樞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。

機電螺線管常見於電子彈珠台點陣式印表機燃料噴射裝置等等。

螺線管氣控閥[编辑]

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介面元件。

螺線管液壓閥[编辑]

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)。在航空製造業裏,液壓機械使用螺線管來操控液壓油的流動至致動器,給予致動器足夠的力量來彎曲金屬板。

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[编辑]

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。

參閱[编辑]

參考文獻[编辑]

  • Halliday, David; Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamental of Physics 7th. USA: John Wiley and Sons, Inc. 2005: pp. 776–777. ISBN 0-471-23231-9. 

外部連結[编辑]