Solenoid

Solenoid (prantsuse solénoïde < kr sōlēn 'toru, kanal' + eidos 'vorm, kuju')  on silinderpinnale ühekihiliselt keritud traatpool, mille pikkus on läbimõõdust palju suurem. Solenoidi juhitud elektrivool tekitab magnetvälja, mis on pika pooli sees ühtlane ja suunatud piki solenoidi telge. Väljaspool solenoidi on magnetväli samasugune kui vardakujulisel püsimagnetil. Niisiis on solenoid pikk (ühe- või mitmekihiline) induktiivpool.

Solenoidi magnetilise efekti avastas 1820. aastal André-Marie Ampère, tema loodud on ka sõna “solénoïde“.

Tehnikas kasutatakse solenoide muundurite ja täituritena, mis muudavad elektrienergia liikumiseks. Tavaliselt toimub liikumine lineaarselt vahemikus 1–100 mm ja pöördliikumise korral alla 95° ulatuses. Solenoidi nimetust kasutatakse kõige sagedamini seoses klappidega. Solenoidklapp koosneb elektromehaanilisest solenoidist, mis paneb liikuma pneumaatilise või hüdraulilise klapi. Solenoide kasutatakse automaatikaseadmetes, et sooritada lühikese teekonnaga liikumist.

Solenoidi magnetväli

Magnetväli lõpmata pika solenoidi sees on homogeenne ja selle tugevus ei sõltu kaugusest keskpunktist ega solenoidi ristlõike pindalast. Solenoidi magnetvälja suund sõltub elektrivoolu suunast. Magnetvälja suunda solenoidi sees saab leida parema käe reegli abil: kui sõrmed on suunatud mööda keermeid voolu suunas, siis välja sirutatud pöial viitab magnetvälja suunas, ja selle tugevust saab arvutada valemist
 
kus B on magnetvälja tugevus, μ0 on magnetiline konstant, N on keerdude arv solenoidis, i on elektrivool ja l on solenoidi pikkus. See valem on solenoidi jaoks, millel puudub südamik.

Ferromagnetilise (näiteks rauast) südamiku olemasolu suurendab magnetvälja tugevust solenoidis. Seda saab arvutada valemiga
 
kus μr on magnetiline konstant ja μ (μ0μr) on materjali magnetiline läbitavus.

Magnetvälja tugevus väljaspool solenoidi on vastassuunaline solenoidi sees oleva magnetväljaga ning see on omadustelt nõrk ja hajuv.

Solenoidi induktiivsus

Nagu eelnevast näha, siis magnetvälja tugevus  solenoidi sees on põhimõtteliselt konstantne ja seda saab väljendada valemiga

kus μ0 on magnetiline konstant, N on pöörete arv solenoidis,i on voolutugevus ja l on solenoidi pikkus. Kogu magnetvoogu läbi solenoidi on võimalik leida, kui korrutada voo tugevus  läbi ristlõikepindalaga :

Kui see kombineerida induktiivsuse mõistega, siis saame
.
See näitab, et solenoidi induktiivses saab avaldada valemiga:

Solenoidi omadused täiturites
1. Liikumise pikkus
Solenoididel, mis kasutavad oma tegevuseks liikuvaid osi, peaks jälgima, et vajaliku liikumise pikkus oleks võimalikult lühike, et hoida suurus, raskus ja võimsustarve minimaalsena.
2. Jõud ja pöördemoment
Vajalik jõud, mis tuleb rakendada, et solenoid teeks mingit tööd. Jõu ja pöörlemismomendi leidmiseks tuleb arvestada järgmiste parameetritega:
tegelik raskus, mida on vaja liigutada;
tagasi liigutava vedru jõud või pöörlemismoment;
mittenähtavad jõud;
tööaeg;
solenoidi asend võrreldes gravitatsiooniga.
3. Pinge
Toiteallika pinge määrab enamasti ära solenoidi kerimiseks vajalikud suurused. Järgida tuleb Ohmi seadust, mille kohaselt
,
kus  on pinge solenoidis, R solenoidi juhtme takistus ja I on solenoidi läbiv voolutugevus.
4. Voolutugevus/võimsus
Voolutugevus määrab ära solenoidis tekkiva magnetvälja tugevuse. Sellest sõltub jõud või pöördemoment, millele abil sooritatakse liikumine.
5. Tööprotsent
Tööprotsenti on võimalik leida jagades tööaja koguajaga ning korrutades 100 protsendiga. Selle alusel saab solenoidid jagada kaheks: pidevad solenoidid, mis töötavad 100% ajast, ja vahelduvaja solenoidid, mis töötavad alla 100% ajast. Vahelduvaja solenoididel peab olema määratud maksimaalne järjestikune töösoleku aeg, et vältida ülekuumenemist, mis lõpuks viib solenoidi läbipõlemiseni.
6. Temperatuur
Õige temperatuuri hoidmine solenoidis on väga tähtis, kuna selle suurenemine tekitab palju probleeme solenoidi töös. Siin tuleb arvestada keskkonna temperatuuri ja solenoid iseeneslikku soojenemist. Temperatuuri tõus põhjustab juhtme takistuse suurenemist, mis omakorda vähendab võimet tekitada magnetvälja (seeläbi ühtlasi ka potentsiaalset jõudu või pöörlemismomenti täiturile). Temperatuuri kontrollimiseks ja alandamiseks on palju võimalusi: jahutite kasutamine, suurema solenoid kasutamine, tööprotsendi vähendamine jne. Piirav faktor on ka traadi isolaator, mis ülekuumenemisel kaotab on tööfunktsiooni. Sellepärast on solenoididel määratud maksimaalse temperatuuri tasemed:
B-tase 130 °C
F-tase 155 °C
H-tase 180 °C
C-tase 220° C

7. Tööaeg/töökiirus
Tööaega/töökiirust mõjutavad liigutatava keha mass, olemasolev võimsus ja liikumise pikkus.
8. Keskkonnatingimused
Peale temperatuuri tuleb arvestada ka tolmu, niiskuse, vibratsiooni, gravitatsiooni, vaakumi, kemikaalide ja muude teguritega, mis esinevad keskkonnas ja mida ei ole võimalik lihtsalt arvutada. Kõik need parameetrid enamasti vähendavad magnetvälja tugevust.
9. Alalisvool ja vahelduvvool
Magnetvälja loomiseks kasutatakse enamasti alalisvoolu täiturites. Vahelduvvoolu kasutatakse enamasti kodumasinates. Tuleb siiski arvestada, et vahelduvvool vajab magnetvälja loomiseks umbes kaks korda rohkem võimsust.
10. Elutsükkel
Täiturite puhul on solenoidide elutsükkel vahemikus 50 tuhat kuni 100 miljonit tsüklit. Olemasoleva solenoidi elutsüklit on võimalik pikendada, kasutades laagreid, vähendades kokkupõrke tugevust ja muid võtteid, mis vähendavad mehaaniliste osade kulumist.

Solenoidide liigitus täituritena
Lineaarliikumisega
Ühesuunaline
Elektromehaaniline liikumine toimub vaid ühes suunas. Tagasiliikumine toimub mehaaniliselt, näiteks vedru või gravitatsiooni vahendusel.
Kahesuunaline
Elektromehaaniline liikumine toimub kahes suunas. Kasutatakse kahte mähist.
Bistabiilne
Bistabiilse solenoidi konstruktsioonis on püsimagnetid, mis võimaldavad südamikul kindlat positsiooni säilitada ka pärast elektriimpulsi. Perspektiivis on bistabiilsel solenoidil kaks stabiilset seisundit: kui solenoidile on rakendatud pinge ja südamik on täielikult väljas ning kui solenoid on ilma vooluta ja südamik on fikseeritud püsimagnetitega.
Pöördliikumisega
Ühesuunaline
Pöördliikumine ühes suunas toimub solenoidi abil, tagasiliikumine mehaaniliselt.
Kahesuunaline
Pöördliikumine toimub kahe solenoidi abil.
Hoidesolenoidid ehk hoidemagnetid
Hoidesolenoididel liikuvad osad puuduvad, need omavad suurt hoidejõudu. Kasutatakse enamasti uste sugemiseks ja turvalukkudes.

Solenoidide kasutusi
Solenoide kasutatakse pea igas mõeldavas tööstusharus üle maailma ja on tuntud oma odavuse, efektiivsuse ja vastupidavuse poolest täituritena.

Solenoidklapp
Hüdraulilise solenoidi klapid on põhimõttelt samad pneumaatilise solenoidi klappidega. Nende vahe seisneb vaid selle, et üks juhib vedelikke ja teine gaasilisi aineid. Hüdraulilise solenoidi klapid kontrollivad tavaliselt mingi vedeliku voolamist anumasse või täiturisse. Solenoididega juhitavaid klappe kasutatakse tihti niisutussüsteemides, kus nõrk solenoid suudab avada ja sulgeda väikest juhtklappi, mis omakorda juhib põhiklappi. Põhiklappi juhitakse vedeliku survega, mis liigutab mehaaniliselt kinnitatud kolbi. Solenoide võib samuti leida igapäevastest kodumasinatest nagu näiteks pesumasinates, et kontrollida siseneva vee kogust.

Helmholtzi pool

Helmholtzi pool on seadeldis, mille abil on võimalik luua homogeenne magnetväljaala. Seda kasutatakse tihti Maa magnetvälja välja tõrjumiseks, eksperimentide tegemiseks. Olemuselt kujutab Helmholtzi pool endast kahte ühesugust mähist, mis asuvad üksteisest solenoidi raadiuse kaugusel. Magnetvälja tugevus keskpunktis on võimalik leida valemiga 
,

kus μ0 on magnetiline konstant, n on keerete arv ühel solenoidil, I on voolutugevus ja R on solenoidi raadius ja kahe solenoidi vaheline kaugus.

Vaata ka
 Induktiivpool
 Helmholtzi pool
 Elektromagnetism
 Muundur
 Täitur

Viited

Kirjandus
 Michael E. Browne "Theory and problems of physics for engineering and science". New York: McGraw Hill, 1999. ISBN 0-07-008498-X
 I. Saveljev "Füüsika üldkursus" Tallinn: Valgus, 1978.

Välislingid
 Solenoidid, kui elektromagnetilised täiturid
 Solenoidi magnetilised omadused
 Solenoidist täiturite omadused
 

Elektromagnetism