螺线管

螺线管是一种机电装置，用于将电能转换为机械能。当电流通过电路时，它会产生磁场。螺线管通常被称为电磁铁。

螺线管产生的磁场也可以被利用。该电路包括一个线圈（螺旋形排列）、电路（用于电气连接）和一个金属芯。

螺旋形线圈如下所示

我们可以使用任何金属芯，例如铁钉和任何形状的铁。螺线管的应用包括阀门、天线、电感器等。

在这里，我们将了解螺线管原理、螺线管类型、螺线管工作原理、螺线管如何制造等。

螺线管原理

螺线管的原理基于电磁学。螺线管线圈由带有铜线绕组的金属芯组成，铜线绕组作为电元件。

这种绕组为电流提供了路径。当电流流过线圈时，会产生磁场。

螺线管的芯可以是空气，但会产生很小的电感。每当我们使用金属芯时，磁力线就会集中在芯上。这会进一步增加线圈的电感。这种概念也称为电磁感应。

螺线管产生的均匀磁场类似于条形磁铁的磁场。

大部分磁通量集中在线圈的芯上。一些磁通量可以在线圈的末端看到，而另一些则出现在线圈外部。

螺线管工作原理

螺线管由金属芯组成。金属增加了螺线管的磁通密度。螺线管是磁线或铜线缠绕在金属芯上的线圈或绕组。

电流通过安装在芯上的铜线。当电流流过螺线管时，会产生磁场。这使得螺线管表现为电磁铁。

我们能增加螺线管的强度吗？

是的，

我们可以通过增加金属芯上的匝数或流过线圈的电流来增加螺线管的强度。匝数越多，螺线管的磁场强度就越大。

螺线管的优点

让我们讨论一下使用螺线管的一些优点

• 螺线管的磁性可以通过允许或阻止电流通过来控制。
• 它在自动化应用中有着广泛的用途。
• 重量轻。
• 价格低廉。
• 结构简单。
• 用螺线管制造的发动机可以作为化石燃料的替代品。
• 无污染
• 螺线管发动机比其他发动机效率更高。
• 低功耗
• 易于安装在大型发动机或设备中
• 兼容直流和交流电压
• 螺线管的部件易于更换，通常价格便宜。

螺线管是如何制造的？

螺线管可以通过不同的方式制造。一些螺线管可以在家里进行实验。但是，大型螺线管是在工业层面生产的。在这里，我们将讨论两种可以在家里轻松制造螺线管的方法。

1. 使用铁钉的螺线管

所需组件：铜线、任何铁芯（例如铁钉）和一块 9V 电池。对于小钉子，我们也可以使用遥控器电池。

连接设置：取一根铁钉，将铜线以螺旋形缠绕在上面。将线的两端连接到电池的两个端子。最小匝数可以是 20 匝。我们可以根据长度和所需强度增加匝数。为了获得更好的性能，我们可以使用砂纸或刀片平滑线的边缘。

连接完成后，几秒钟后，电路将作为磁铁工作。

注意：电池很快就会发热。所以，不要长时间操作。

工作原理：当我们将电池的端子连接到安装在铁钉上的铜线的两端时，电流会流过电线。它会产生磁场，线圈开始作为电磁铁工作。将任何铁物体靠近螺线管；它会被吸引。

当电源关闭时，电磁场开始崩塌，存储的能量回到其静止位置。

设置将显示如下图像

注意：始终使用涂层线来制造螺线管。我们也可以使用磁线。磁线类似于铜线，但带有一层薄薄的涂层。

2. 使用塑料管或吸管的螺线管

我们还可以使用塑料管或吸管作为芯材制造螺线管。如前所述，与带有铁芯的螺线管相比，这些材料的电感非常小。

在吸管的情况下，我们可以在暴露区域缠绕胶带，粘性面朝外。这样我们就可以轻松地缠绕电线。

让我们讨论一下这个过程。

所需组件：铜线或磁线、缠有胶带的塑料管或吸管和一块 9V 电池。

连接设置：取一根塑料管或吸管，将铜线以螺旋形缠绕在上面。将线的两端连接到电池的两个端子。为了获得更好的性能，我们可以使用砂纸或刀片平滑线的边缘。连接完成后，几秒钟后，电路将作为磁铁工作。

这种螺线管的工作原理与前面讨论的类似，只是电感减小了。

工作原理：当我们将电池端子连接到安装在塑料管上的铜线的两端时，电流会流过电线。它会产生磁场，线圈开始作为电磁铁工作。将任何铁物体靠近螺线管；它会被吸引。

当电源关闭时，电磁场开始崩塌，存储的能量回到其静止位置。

注意：如果我们没有 9V 电池，我们可以将两到三节电池串联起来进行连接。
以上两种螺线管都可以在家里轻松制造。

我们已经讨论了制造螺线管的过程以及如何增加其强度。所以，让我们推导一个公式，这将有助于我们清楚地了解螺线管的匝数和其他参数。

推导

我们首先讨论安培定律。根据安培定律

电流通过电路产生的磁场与电流乘以自由空间的磁导率成正比。

根据上述定律，螺线管给我们带来

其中，

B 称为磁通密度。

N 是匝数。

I 是流过绕组的电流。

L 是螺线管的长度。

它是自由空间的磁导率。

让我们从上面的公式计算磁通密度的值

上述值是在自由空间中的螺线管情况下考虑的。这意味着相对磁导率等于自由空间的磁导率。

如果我们将螺线管插入具有相对磁导率的材料中，我们得到

现在磁通密度有了另一个参数，称为相对磁导率。

有时，螺线管并未完全浸入高磁导率材料中。在这种情况下，相对磁导率的明显效应会作用于螺线管。这意味着螺线管的一部分在自由空间中，而另一部分在高磁导率材料中。

如上所述，铁或金属芯增加了螺线管的磁通密度。这进一步导致螺线管磁路中有效磁导率的变化。它可以计算为

相对磁导率和有效磁导率之间的关系可以写成

其中，

K 是退磁系数。

螺线管的电感

如上所述，磁通密度 (B) 可以写成

通过螺线管线圈的总磁通量可以表示为

其中，

B 称为磁通密度。

N 是匝数。

I 是流过绕组的电流。

L 是螺线管的长度。

它是自由空间的磁导率。

A 是横截面积。

总磁通量也被定义为磁通密度和横截面积的乘积。

螺线管中的电感可以定义为导体（电导体）阻止电流通过电路变化的趋势。

电感可以表示为

将总磁通量的值代入上述方程，我们得到螺线管电感。

螺线管的电感可以表示为

其中，

L 是螺线管的电感。

N 是匝数。

l 是螺线管的长度。

它是自由空间的磁导率。

A 是横截面积。

不规则螺线管

绕组的节距或环的半径决定了螺线管的类别。节距定义为绕组之间的间隙，如下所示

节距或环半径变化的螺线管称为不规则螺线管。不规则螺线管的应用包括非圆柱形螺线管等。

螺线管的类型

让我们讨论一些常见的螺线管类型。

直线螺线管

直线螺线管是一种产生直线运动的机电装置。直线螺线管的芯是可移动的金属芯。由于其可移动的芯，我们可以很容易地对任何机械设备施加推力或拉力。这些螺线管通常用作启动装置。

直线螺线管的应用包括自行车电机启动器、自动化、启动器、汽车电机等。

机电螺线管

机电螺线管定义为由可移动电枢芯组成的螺线管。芯的材料可以是铁或钢。线圈的形状使得电枢可以很容易地在线圈中心内外移动。

螺线管的常见应用包括燃油喷射器、弹球机等。

我们可以在家轻松制作这种螺线管。为此，我们需要一根铁钉、磁线或铜线和一个中空的塑料管。将铜线缠绕在中空的塑料管上。将铁钉非常靠近管子。将线的两个角连接到电池的两个端子。一旦连接完成，该装置将表现为电磁铁，铁钉将移入管内。我们也可以使用中空的金属管。

旋转螺线管

旋转螺线管基于棘轮机制。棘轮是支持单向连续旋转或直线运动的装置。它不支持反方向的这些运动。

旋转螺线管具有广泛的应用。这些电机的控制非常容易。这些电机的结构与其他电机相似。它由一个大的平面圆盘组成，圆盘的中心安装有一个电枢芯。圆盘下方有凹槽，其尺寸与槽的尺寸相似。螺线管中的滚珠轴承使运动变得容易。

当电源关闭时，螺线管的弹簧将芯盘推回到其原始位置。

汽车启动螺线管

这些启动螺线管是汽车系统的一部分。汽车启动螺线管的运行需要高电流和小电流。

它从点火系统获取小电流，从汽车电池获取大电流。

启动螺线管通常在汽车启动器的外部可见。有时，当无法从电池中提取足够的电力时，它会产生咔嗒声。这可能会损坏电池。

交流叠片螺线管

交流叠片螺线管的芯是叠片金属，带有铜线绕组。金属芯的叠片有助于减少杂散电流。杂散电流是流经非指定路径的电流，而不是指定路径。

交流叠片螺线管的优点是可以在单次行程中提供大量力。与直流叠片螺线管相比，它可以提供更多的行程。

这些类型的螺线管用于需要突然动作的应用中，例如车辆、打印机、医疗设备等。

直流 C 形螺线管

C 或 D 描述了线圈所在框架的形状。名称是直流，但也适用于交流应用。

直流 C 形螺线管具有 C 形框架。这些螺线管的行程能力是高度可控的。这种螺线管用于各种应用，例如断路器、硬币计数器等。

直流 D 形螺线管

直流 D 形螺线管有两个框架，用于覆盖此类螺线管的线圈。它还具有受控的行程能力。这种螺线管用于医疗和传统应用，例如 ATM 机。

螺线管阀

阀门被定义为一种通过控制各种通道来控制流体流量的装置。它是最常见的装置类型。

螺线管阀是可以通过机电操作的阀门。阀门根据磁场的强度、所需的电流量和流体类型进行分类。它用于执行不同的任务，例如流体的混合或分配等。

螺线管阀可以是2 通、3 通或4 通。2 通阀有两个端口，而 3 通阀有三个端口。类似地，4 通阀有四个端口。

让我们讨论一些螺线管阀的类别。

直动阀

阀门的运行取决于螺线管产生的磁能。它还可以防止设备承受过大的压力。

液压螺线管阀

这些阀门控制液压液体的流量。这种螺线管被液压机械用于控制执行器、油或液压缸。

气动螺线管阀

气动螺线管阀需要小信号才能操作设备。

先导式阀门

先导式阀门使用不同压力的技术，这些压力可以施加在阀门的端口上以打开或关闭阀门。