Solenoidi: dispositivo, funzionamento, applicazione

Questo articolo si concentrerà sui solenoidi. Considereremo prima il lato teorico di questo argomento, poi quello pratico, dove noteremo le aree di applicazione dei solenoidi nelle diverse modalità del loro lavoro.

Un solenoide è una bobina cilindrica la cui lunghezza è molto maggiore del suo diametro. La stessa parola solenoide è formata da una combinazione di due parole — solen ed eidos, la prima delle quali si traduce come tubo, la seconda — simile. Cioè, un solenoide è una bobina a forma di tubo.

I solenoidi in senso lato sono induttori avvolti da un filo su un telaio cilindrico, che può essere a strato singolo o multistrato... Poiché la lunghezza della bobina di un solenoide supera notevolmente il suo diametro, quando viene applicata una corrente continua attraverso tale bobina, al suo interno, nella cavità interna, si forma un campo magnetico quasi uniforme.

I solenoidi sono spesso riferiti ad alcuni attuatori su un principio di funzionamento elettromeccanico, come un'elettrovalvola del cambio automatico in un'auto o un relè di retrazione del motorino di avviamento.Di norma, il nucleo ferromagnetico funge da parte retratta e il solenoide stesso dotato di un nucleo magnetico all'esterno, il cosiddetto giogo ferromagnetico.

Se non c'è materiale magnetico nella progettazione del solenoide, quando una corrente continua scorre attraverso il filo, si forma un campo magnetico lungo l'asse della bobina, la cui induzione è numericamente uguale a:

Dove N è il numero di spire del solenoide, l è la lunghezza della bobina del solenoide, I è la corrente nel solenoide, μ0 è la permeabilità magnetica del vuoto.

Ai capi del solenoide l'induzione magnetica è la metà di quella interna, perché entrambe le metà del solenoide alla loro giunzione danno un uguale contributo al campo magnetico creato dalla corrente del solenoide. Questo si può dire per un solenoide semi-infinito o per una bobina sufficientemente lunga per il diametro del telaio. L'induzione magnetica ai bordi sarà pari a:

Poiché il solenoide è principalmente una bobina induttiva, come qualsiasi bobina con un'induttanza, il solenoide è in grado di immagazzinare energia in un campo magnetico numericamente uguale al lavoro svolto dalla sorgente per creare una corrente nella bobina che genera il campo magnetico del solenoide:

Un cambiamento nella corrente nella bobina porterà alla comparsa di un EMF di autoinduzione e la tensione alle estremità del filo della bobina del solenoide sarà uguale a:

L'induttanza del solenoide sarà pari a:

Dove V è il volume del solenoide, z è la lunghezza del filo nella bobina del solenoide, n è il numero di spire per unità di lunghezza del solenoide, l è la lunghezza del solenoide, μ0 è la permeabilità magnetica del vuoto.

Quando una corrente alternata scorre attraverso il filo del solenoide, anche il campo magnetico del solenoide sarà alternato. La resistenza CA di un solenoide è di natura complessa e include componenti sia attivi che reattivi determinati dall'induttanza e dalla resistenza attiva della bobina.

Uso pratico dei solenoidi

I solenoidi sono utilizzati in molte applicazioni industriali e civili. Spesso gli azionamenti lineari sono solo un esempio di funzionamento con solenoide CC. Controllare le cesoie nei registratori di cassa, nelle valvole del motore, nel relè di avviamento, nelle valvole idrauliche, ecc. In corrente alternata, i solenoidi fungono da induttori forni a crogiolo.

Le bobine del solenoide, di norma, sono realizzate in rame, meno spesso filo di alluminio... Nelle industrie high-tech vengono utilizzate bobine superconduttrici. I nuclei possono essere di ferro, ghisa, ferrite o altre leghe, spesso sotto forma di un fascio di fogli, oppure possono essere assenti.

A seconda dello scopo della macchina elettrica, il nucleo è costituito da uno o da un altro materiale. Dispositivi come il sollevamento di elettromagneti, lo smistamento dei semi, la pulizia del carbone, ecc. Successivamente vedremo alcuni esempi di utilizzo di solenoidi.

Elettrovalvola di linea

Applicando tensione alla bobina del solenoide, il disco della valvola viene premuto saldamente contro l'attacco pilota da una molla e la linea viene chiusa. Quando la corrente viene applicata alla bobina della valvola, l'armatura e il relativo disco della valvola si sollevano, trascinati dalla bobina, opponendosi alla molla e aprendo il foro pilota.

La differenza di pressione sui diversi lati della valvola fa muovere il fluido nella tubazione e, fintanto che viene applicata tensione alla bobina della valvola, la tubazione non è bloccata.

Quando il solenoide viene spento, la molla non trattiene più nulla e la valvola precipita verso il basso, bloccando il foro pilota. Il gasdotto è di nuovo chiuso.

Relè di avviamento elettromagnetico per auto

Un motorino di avviamento è essenzialmente un potente motore a corrente continua alimentato dalla batteria dell'auto. Al momento dell'avviamento del motore, l'ingranaggio di avviamento (bendix) deve essere rapidamente innestato per un po 'con il volano dell'albero motore e contemporaneamente viene acceso il motorino di avviamento. Il solenoide qui è la bobina del solenoide di avviamento.

Il relè del riavvolgitore è montato sull'alloggiamento del motorino di avviamento e quando viene applicata l'alimentazione alla bobina del relè, viene disegnato un nucleo di ferro collegato a un meccanismo che fa avanzare l'ingranaggio. Dopo l'avviamento del motore, l'alimentazione viene interrotta dalla bobina del relè e l'ingranaggio viene riportato indietro grazie alla molla.

Blocco solenoide

Nelle serrature elettromagnetiche, il chiavistello è azionato dalla forza di un elettromagnete. Tali serrature sono utilizzate nei sistemi di controllo degli accessi e nei sistemi di paratoie. Una porta dotata di tale serratura può essere aperta solo durante il periodo di validità del segnale di controllo. Dopo aver rimosso questo segnale, la porta chiusa rimarrà bloccata, indipendentemente dal fatto che sia stata aperta.

I vantaggi delle serrature a solenoide includono il loro design: è molto più semplice di quello delle serrature del motore, più resistente all'usura. Come puoi vedere, qui il solenoide è di nuovo accoppiato con una molla di ritorno.

Induttore con solenoide a riscaldamento

Gli induttori multigiro a solenoide vengono solitamente utilizzati per il riscaldamento. La bobina dell'induttore è costituita da un tubo di rame raffreddato ad acqua o da una sbarra collettrice di rame.

Nelle installazioni a media frequenza vengono utilizzati avvolgimenti a strato singolo e negli avvolgimenti a frequenza industriale l'avvolgimento può essere a strato singolo o multistrato. Ciò è dovuto ad una possibile riduzione delle perdite elettriche nell'induttore e alle condizioni di conformità dei parametri di carico e dei parametri di tensione e fattore di potenza dell'alimentatore. Per garantire la rigidità della bobina induttiva, il suo mastice viene spesso utilizzato tra le lastre finali di cemento-amianto.

Negli impianti moderni tempra e riscaldamento ad induzione I solenoidi funzionano in modalità CA ad alta frequenza, quindi di solito non necessitano di un nucleo ferromagnetico.

Motore a solenoide

Nei motori a solenoide a bobina singola, l'accensione e lo spegnimento della bobina di manovra provoca un movimento meccanico del manovellismo e il ritorno avviene tramite una molla, analogamente a quanto accade in un'elettrovalvola e in un'elettroserratura.

Nei motori a solenoide a più avvolgimenti, l'attivazione alternata delle bobine viene effettuata con l'ausilio di valvole, a ciascuna bobina viene fornita la corrente dalla sorgente di alimentazione in uno dei semicicli della tensione sinusoidale. Il nucleo viene successivamente attratto dall'una o dall'altra bobina, compiendo un movimento alternativo, facendo ruotare l'albero motore o la ruota.

Solenoidi in impianti sperimentali

Installazioni sperimentali come il rivelatore ATLAS operante presso il Large Hadron Collider del CERN utilizzano potenti elettromagneti che includono anche solenoidi. Vengono condotti esperimenti di fisica delle particelle per scoprire gli elementi costitutivi della materia e per indagare sulle forze fondamentali della natura che sostengono il nostro universo.

Bobine di Tesla

Infine, gli intenditori dell'eredità di Nikola Tesla usano sempre i solenoidi per costruire bobine. L'avvolgimento secondario di un trasformatore Tesla non è altro che un solenoide. E la lunghezza del filo nella bobina risulta essere molto importante, perché i costruttori delle bobine qui usano i solenoidi non come elettromagneti, ma come guide d'onda, come risonatori, nei quali, come in ogni circuito oscillante, non c'è solo il induttanza del filo, ma anche la capacità formata in questo caso da ravvicinati ad amici su spire. A proposito, il toroide nella parte superiore dell'avvolgimento secondario è progettato per compensare questa capacità distribuita.

Speriamo che il nostro articolo ti sia stato utile e ora sai cos'è un solenoide e quante aree della sua applicazione ci sono nel mondo moderno, perché non le abbiamo elencate tutte.