Solenoides — dispositiu, funcionament, aplicació

Aquest article es centrarà en els solenoides. Primer ens plantejarem la vessant teòrica d'aquest tema, després la pràctica, on anotarem les àrees d'aplicació dels solenoides en diferents modes del seu treball.

Un solenoide és una bobina cilíndrica la longitud de la qual és molt més gran que el seu diàmetre. La paraula solenoide en si es forma a partir d'una combinació de dues paraules: solen i eidos, la primera de les quals es tradueix com a tub, la segona, similar. És a dir, un solenoide és una bobina amb forma de tub.

Els solenoides en sentit ampli són inductors enrotllats per un cable sobre un marc cilíndric, que pot ser d'una sola capa o multicapa... Com que la longitud de la bobina d'un solenoide supera molt el seu diàmetre, aleshores quan s'aplica un corrent continu a través d'aquesta bobina, dins d'ella, a la cavitat interna, es forma un camp magnètic gairebé uniforme.

Els solenoides sovint es refereixen a alguns actuadors segons un principi de funcionament electromecànic, com ara una vàlvula solenoide de transmissió automàtica en un cotxe o un relé de retracció d'arrencada.Per regla general, el nucli ferromagnètic actua com una peça retraïda i el propi solenoide equipat amb un nucli magnètic a l'exterior, l'anomenat jou ferromagnètic.

Si no hi ha material magnètic en el disseny del solenoide, quan un corrent continu flueix pel cable, es forma un camp magnètic al llarg de l'eix de la bobina, la inducció del qual és numèricament igual a:

On, N és el nombre de voltes del solenoide, l és la longitud de la bobina del solenoide, I és el corrent al solenoide, μ0 és la permeabilitat magnètica del buit.

Als extrems del solenoide, la inducció magnètica és la meitat que a l'interior, perquè les dues meitats del solenoide a la seva unió contribueixen igual al camp magnètic creat pel corrent del solenoide. Això es pot dir per a un solenoide semi-infinit o per a una bobina prou llarga per al diàmetre del marc. La inducció magnètica a les vores serà igual a:

Com que el solenoide és principalment una bobina inductiva, com qualsevol bobina amb una inductància, el solenoide és capaç d'emmagatzemar energia en un camp magnètic numèricament igual al treball que fa la font per crear un corrent a la bobina que genera el camp magnètic del solenoide:

Un canvi en el corrent a la bobina donarà lloc a l'aparició d'un EMF d'autoinducció i la tensió als extrems del cable de la bobina del solenoide serà igual a:

La inductància del solenoide serà igual a:

On V és el volum del solenoide, z és la longitud del cable de la bobina del solenoide, n és el nombre de voltes per unitat de longitud del solenoide, l és la longitud del solenoide, μ0 és la permeabilitat magnètica al buit.

Quan un corrent altern flueix pel cable del solenoide, el camp magnètic del solenoide també serà altern. La resistència de CA d'un solenoide és de naturalesa complexa i inclou components tant actius com reactius determinats per la inductància i la resistència activa de la bobina.

Ús pràctic de solenoides

Els solenoides s'utilitzen en moltes aplicacions industrials i civils. Sovint, els accionaments lineals són només un exemple de funcionament del solenoide de CC. Comproveu les cisalles a les caixes registradores, vàlvules del motor, relé d'arrencada, vàlvules hidràuliques, etc. En corrent altern, els solenoides actuen com a inductors forns de gresol.

Les bobines de solenoide, per regla general, estan fetes de coure, menys sovint de filferro d'alumini.En les indústries d'alta tecnologia, s'utilitzen bobines superconductores. Els nuclis poden ser de ferro, ferro colat, ferrita o altres aliatges, sovint en forma d'un paquet de làmines, o poden no estar presents en absolut.

Depenent de la finalitat de la màquina elèctrica, el nucli està fet d'un o altre material. Dispositius com l'elevació d'electroimants, classificació de llavors, neteja de carbó, etc. A continuació veurem alguns exemples d'ús de solenoides.

Vàlvula solenoide de línia

En aplicar tensió a la bobina del solenoide, el disc de la vàlvula es pressiona fermament contra el port pilot mitjançant una molla i la línia es tanca. Quan s'aplica corrent a la bobina de la vàlvula, l'induït i el disc de la vàlvula associat s'eleven, estirats per la bobina, oposant-se a la molla i obrint el forat pilot.

La diferència de pressió als diferents costats de la vàlvula fa que el fluid es mogui a la canonada i, mentre s'apliqui tensió a la bobina de la vàlvula, la canonada no està bloquejada.

Quan s'apaga el solenoide, la molla ja no reté res i la vàlvula es precipita cap avall, bloquejant el forat pilot. El gasoducte es torna a tancar.

Relé d'arrencada electromagnètic del cotxe

Un motor d'arrencada és essencialment un potent motor de corrent continu alimentat per la bateria del cotxe. En el moment d'arrencar el motor, l'engranatge d'arrencada (bendix) s'ha d'enganxar ràpidament durant un temps amb el volant del cigonyal i, al mateix temps, s'encén el motor d'arrencada. El solenoide aquí és la bobina del solenoide d'arrencada.

El relé del retractor està muntat a la carcassa de l'arrencada i quan s'aplica energia a la bobina del relé, es dibuixa un nucli de ferro connectat a un mecanisme que mou l'engranatge cap endavant. Després d'engegar el motor, la bobina del relé talla l'alimentació i l'engranatge retorna gràcies a la molla.

Bloqueig de solenoide

En els panys electromagnètics, el forrellat és impulsat per la força d'un electroimant. Aquests panys s'utilitzen en sistemes de control d'accés i sistemes de comporta. Una porta equipada amb aquest pany només es pot obrir durant el període de validesa del senyal de control. Després d'eliminar aquest senyal, la porta tancada romandrà tancada, independentment de si s'ha obert.

Els avantatges dels panys de solenoide inclouen el seu disseny: és molt més senzill que el dels panys del motor, més resistent al desgast. Com podeu veure, aquí el solenoide es torna a combinar amb una molla de retorn.

Inductor amb solenoide per calefacció

Els inductors multivolta de solenoides s'utilitzen normalment per a la calefacció. La bobina de l'inductor està feta de tub de coure refrigerat per aigua o barra de coure.

En instal·lacions de mitjana freqüència s'utilitzen bobinatges d'una sola capa, i en bobinats de freqüència industrial, el bobinat pot ser d'una sola capa o multicapa. Això es deu a una possible reducció de pèrdues elèctriques a l'inductor i amb les condicions de compliment dels paràmetres de càrrega i amb els paràmetres de tensió i el factor de potència de la font d'alimentació. Per garantir la rigidesa de la bobina inductiva, la seva massilla s'utilitza més sovint entre les plaques finals d'amiant-ciment.

En instal·lacions modernes enduriment i escalfament per inducció Els solenoides funcionen en mode AC d'alta freqüència, de manera que normalment no necessiten un nucli ferromagnètic.

Motor solenoide

En els motors de solenoide d'una sola bobina, l'encesa i apagada de la bobina de funcionament provoca un moviment mecànic del mecanisme de la manivela, i el retorn es fa mitjançant una molla, de manera similar al que passa en una vàlvula solenoide i un bloqueig de solenoide.

En els motors solenoides de bobinats múltiples, l'activació alterna de les bobines es duu a terme amb l'ajuda de vàlvules.A cada bobina s'alimenta el corrent de la font d'alimentació en un dels semicicles de la tensió sinusoïdal. El nucli és atret successivament per una o altra bobina, fent un moviment alternatiu, fent girar el cigonyal o la roda.

Solenoides en instal·lacions experimentals

Instal·lacions experimentals com el detector ATLAS que funciona al Gran Col·lisionador d'Hadrons del CERN utilitzen potents electroimants que també inclouen solenoides. Es realitzen experiments de física de partícules per descobrir els blocs de la matèria i per investigar les forces fonamentals de la natura que sostenen el nostre univers.

Bobines Tesla

Finalment, els coneixedors del llegat de Nikola Tesla sempre utilitzen solenoides per construir bobines. El bobinatge secundari d'un transformador de Tesla no és més que un solenoide. I la longitud del cable a la bobina resulta ser molt important, perquè els constructors de les bobines aquí utilitzen solenoides no com a electroimants, sinó com a guies d'ones, com a ressonadors, en els quals, com en qualsevol circuit oscil·lant, no només hi ha el la inductància del cable, però també la capacitat formada en aquest cas des d'una distància propera a l'amic en els girs. Per cert, el toroide a la part superior del bobinatge secundari està dissenyat per compensar aquesta capacitat distribuïda.

Esperem que el nostre article us hagi estat útil i ara ja sabeu què és un solenoide i quantes àrees de la seva aplicació hi ha al món modern, perquè no les hem enumerat totes.