Solenoid

Solenoid

Alan çizgileri kullanılarak tanımlanmış yedi döngülü sarmal bobin tarafından oluşturulan manyetik alan.

Solenoid,(Fransızca solénoïde‘den türeyen ve Yunanca “solen, eidos” “boru, kanal” ve “form, şekil”in kombinasyonuna dönüşmüştür[1]) sıkıştırılmış sarmal eğri şeklindeki sarılı bir bobindir. Bu terim Fransız fizikçi André-Marie Ampère tarafından sarmal bir bobin tasarlamak üzere bulunmuştur.

Fizikte, bu terim özellikle uzun, ince döngülü tele sahip[şüpheli–tartışma] ve genellikle içinden elektrik akımı geçtiğinde bir alan hacminde (bazı deneylerin yürütülebildiği) düzenli bir manyetik alan oluşturan metal bir çekirdeğe sarılı olarak tanımlanır. Sarmal bir bobin kontrollü bir manyetik alan yaratma amacı olan bir tür elektromıknatıstır. Sarmal bobinin amacı elektrik akımındaki değişimi engellemek olursa, sarmal bobin bir elektromıknatıstan çok bir indüktör olarak sınıflandırılırdı. Tüm elektromıknatıslar ve indüktörler sarmal bobin değildirler; örneğin, 1824 yılında bulunan ilk elektromıknatıs silindirik sarmal şeklinden daha çok bir at nalı gibiydi.

Mühendislikte bu terim, enerjiyi doğrusal harekete çeviren transformatör cihazlarının bir çeşidiyle ilgilidir. Terim genellikle sarmal bobin kapakçığını işaret etmek için kullanılır. Bu kapakçık, hava basıncı, su basıncı kapakçıklarını veya sarmal bobin anahtarını etkin hale getiren bir elektromıknatıslı sarmal bobinini içeren birleşik bir cihazdır. Sarmal bobin anahtarı otomobil sarmal bobin başlatıcısı veya aslında elektromekanik olan doğrusal sarmal bobin örnekleri gibi elektrik anahtarını ayarlayan elektromekanik bir iç sarmal bobin kullanan bir tür röledir.

Sonsuz Sürekli Sarmal Bobinler

Sonsuz bir sarmal bobin sonsuz uzunluğa fakat sonlu bir çapa sahiptir. Süreklilik ise ayrık bobin tarafından değil, iletken bir levha tarafından oluşturulur.

İçerisi

Ampèrian döngüleri rastgele etiketlenmiş ve bu döngüleri a, b, c olan bir sonsuz sarmal bobin. Yol c üzerindeki birleşme sarmal bobin içerisindeki manyetik alanın radyal bir şekilde düzenli olması gerektiğini göstermektedir.

Kısaca: sonsuz uzunlukta bir sarmal bobin içinde manyetik alan homojendir ve gücü ne eksenden uzaklığına ne de sarmal bobinin kesit alanına bağlıdır.

Bu saçak etkilerinin önemsenmemesi için yeterince uzun olan bir sarmal bobin etrafındaki manyetik akı yoğunluğundan türemektedir. Şekil 1’de, sarmal bobinin içine doğru artı z yönünde ve sarmal bobinden dışarı doğru eksi z yönünde akı yoğunluğu oluşturan vektör noktalarını biliyoruz. Bunu bir tel etrafındaki alan için sağ el kavrama kuralını uygulayarak görebiliriz. Sağ elimizi sağ baş parmağımız akımın yönünü gösterecek şekilde bir telin etrafına sararsak, parmakların kıvrılma yönü alanın nasıl davranacağını gösterir. Uzun bir sarmal bobin ile uğraştığımızdan dolayı, yukarı işaret edilmemiş manyetik alanın tüm bileşenleri simetri tarafından iptal edilir. Dışarıda, benzer bir iptal etme durumu oluşur ve alan sadece aşağıyı işaret eder.

Sarmal bobin içine yerleşmiş hayali bir döngü c düşünün. Ampère's Kuralı ile, bu döngü etrafındaki çizgisel integral B (manyetik akı yoğunluk vektörü) hiçbir elektrik akımı (Ayrıca döngü içinden geçen çevrimsel elektrik alanının şu durumlarda sabit olduğu varsayılır:sabit ya da sabit bir şekilde değişen sarmal bobinden geçen akım) tarafından çevrelenmediğinden sıfır değerinde olduğunu biliyoruz.

Sarmal bir bobin içindeki alanın yukarıyı işaret ettiğinden üstte bahsetmiştik, bu yüzden döngü c’nin yatay kısımları integrale hiçbir katkıda bulunmaz. Bu yüzden üst taraftaki 1 integrali, alt taraftaki 2 integraline eşittir. Çünkü döngünün ebatlarını rastgele değiştirebiliriz ve aynı sonucu alırız; bu durumun fiziksel bir açıklaması integrali alınan eşitliklerin aynı olduğu ve bu yüzden sarmal bobin içindeki manyetik alanın radyal bir şekilde düzenli olduğu ile yapılabilir. Not olarak, hiçbir şey onu uzunlamasına değiştirmekten alıkoyamaz.

Dışarısı

Benzer bir tartışma sarmal bobinin dışındaki alanın radyal olarak düzenli ve sabit olduğu sonucuna ulaşmak için uygulanabilir. Alan çizgilerinin uzunluğa paralel olduğu sadece sarmal bir bobin merkezinin yanında doğru olduğu son sonuç, sarmal bobin dışındaki alanın yarıçapının sonsuza gitmesinden ötürü dış akı yoğunluğunun neredeyse sıfırı göstermesi kadar önemlidir.

İçgüdüsel bir tartışma sarmal bobin dışında akı yoğunluğunun aslında sıfır olduğunu göstermek için yapılabilir. Manyetik alan çizgileri sadece döngülerden oluşur, elektrik alan çizgilerinin bir noktada yapabildiği gibi birbirinden uzaklaşamaz ya da birbirine yaklaşamaz (Manyetizm için Gauss yasasına bakınız.). Manyetik alan çizgileri sarmal bobin içinde boylamsal bir yol izler, bu yüzden çizgilerin bir döngü oluşturabilmesi amacıyla sarmal bobinin dışı karşı yöne doğru gitmelidir. Ancak, sarmal bobinin dış hacmi iç hacminden büyüktür, bu yüzden manyetik alan çizgilerinin yoğunluğu fazlaca azalır. Şimdi dış alanın sabit olduğunu hatırlayın. Alan çizgilerinin toplam sayısının korunması için, sarmal bobin dış alanı uzadıkça sıfıra doğru gitmelidir.

Tabii ki, eğer sarmal bir bobin tel bir spiral gibi oluşturulursa (genellikle pratikte yapılan), geçen toplam akım sarmal bobin uzunluğunu düşürdüğünden tek bir tel gibi dış alana yayılır.

Nicel tanımlama

Şimdi hayali bir loop b düşünebiliriz. Uzunluk, l, döngüsü etrafındaki B’nin (manyetik akı yoğunluk vektörü) çizgisel integralini alın. Yatay bileşenler yok olur ve dış alan neredeyse sıfırdır, Ampère Kuralı bize şunu verir:

${\displaystyle Bl=\mu _{0}NI,}$

${\displaystyle \mu _{0}}$ manyetik sabit, $N$ sarım sayısı, ve ${\displaystyle I}$ akım.

${\displaystyle B=\mu _{0}{\frac {NI}{l}}.}$

Bu eşitlik boş alandaki sarmal bir bobin için geçerlidir, yani manyetik yolun geçirgenliği boş alanın μ₀ geçirgenliğiyle aynıdır.

Sarmal bobin bağıl geçirgenliği, μ_r,olan bir maddenin içine batırılırsa; alan şu miktarda artar:

${\displaystyle B=\mu _{0}\mu _{\mathrm {r} }{\frac {NI}{l}}.}$

Birçok sarmal bobin için; sarmal bobin etrafındaki bazı kısımlardan çok yüksek bağıl geçirgenliğine sahip bir maddenin içine batırılmadığında daha yüksek geçirgen bir maddeye ve biraz da havaya (daha çok boş alan gibi davranan) sahip olur. Bu durumda, yüksek geçirgen maddenin tüm etkisi görülmez, fakat 1 ≤ μ_eff ≤ μ_rgibi etkili (belirgin) bir geçirgenlik, μ_eff,elde edilecektir.

Demir gibi ferromanyetik bir çekirdeğin dahil edilmesi, sarmal bobinin manyetik akı yoğunluğunun büyüklüğünü ve manyetik yolun etkili geçirgenliğini arttırır. Şu formül ile gösterilir:

${\displaystyle B=\mu _{0}\mu _{\mathrm {eff} }{\frac {NI}{l}}=\mu {\frac {NI}{l}},}$

μ_eff , çekirdeğin geçirgenliğinin etkili veya belirgin olduğunu gösterir.

Etkili geçirgenlik, çekirdeğin ve onun bağıl geçirgenliğinin geometrik özelliklerinin bir fonksiyonudur. Geçirgenliğe (maddenin sadece bir özelliği) ve etkili geçirgenliğe (tüm yapının bir özelliği) bağlı terimler genellikle karıştırılır; büyüklüğün birçok çeşidiyle ayırt edilebilir.

Açık bir manyetik yapı için, etkili geçirgenlik ve bağıl geçirgenlik arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:

${\displaystyle \mu _{\mathrm {eff} }={\frac {\mu _{r}}{1+k(\mu _{r}-1)}},}$

k çekirdeğin mıknatıslaştıma faktörüdür.

Sonlu sürekli sarmal bobinler

Sonlu sarmal bir bobin sonlu uzunluğa sahiptir. Süreklilik ise ayrık bobin tarafından değil, iletken bir levha tarafından oluşturulur. Sarmal bobinin yüzeyinde bir yüzeyin akım yoğunluğunun K olduğu düzenli dağılan bir akım farzedelim; silindirik koordinatlarda:

${\displaystyle {\vec {K}}={\frac {I}{L}}{\hat {\phi }}.}$

Manyetik alan, silindirik koordinatlarının yarıçapı a ve uzunluğu L olan sonlu bir sarmal bobinde vektör potansiyeli kullanılarak bulunabilir. ${\displaystyle (\rho ,\phi ,z)}$ is^[1]

${\displaystyle A_{\phi }={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}{\frac {1}{L}}{\sqrt {\frac {a}{\rho }}}\left[\zeta k\left({\frac {k^{2}+h^{2}-h^{2}k^{2}}{h^{2}k^{2}}}K(k^{2})-{\frac {1}{k^{2}}}E(k^{2})+{\frac {h^{2}-1}{h^{2}}}\Pi (h^{2},k^{2})\right)\right]_{\zeta _{-}}^{\zeta _{+}},}$

${\displaystyle \zeta _{\pm }=z\pm {\frac {L}{2}},}$

${\displaystyle h^{2}={\frac {4a\rho }{(a+\rho )^{2}}},}$

${\displaystyle k^{2}={\frac {4a\rho }{(a+\rho )^{2}+\zeta ^{2}}},}$

${\displaystyle K(m)=\int _{0}^{\pi /2}{\frac {1}{\sqrt {1-m\sin ^{2}\theta }}}d\theta ,}$

${\displaystyle E(m)=\int _{0}^{\pi /2}{\sqrt {1-m\sin ^{2}\theta }}d\theta ,}$

${\displaystyle \Pi (n,m)=\int _{0}^{\pi /2}{\frac {1}{(1-n\sin ^{2}\theta ){\sqrt {1-m\sin ^{2}\theta }}}}d\theta .}$

Burada, ${\displaystyle K(m)}$, ${\displaystyle E(m)}$, and ${\displaystyle \Pi (n,m)}$ integrallerin tanımıdır.

${\displaystyle {\vec {B}}=\nabla \times {\vec {A}},}$ kullanarak,

Manyetik akı yoğunluğu elde edilir:

${\displaystyle B_{\rho }={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}{\frac {1}{L}}{\sqrt {\frac {a}{\rho }}}\left[{\frac {k^{2}-2}{k}}K(k^{2})+{\frac {2}{k}}E(k^{2})\right]_{\zeta _{-}}^{\zeta _{+}},}$

${\displaystyle B_{z}={\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}{\frac {1}{L}}{\frac {1}{\sqrt {a\rho }}}\left[\zeta k\left(K(k^{2})+{\frac {a-\rho }{a+\rho }}\Pi (h^{2},k^{2})\right)\right]_{\zeta _{-}}^{\zeta _{+}}.}$

İndüktans

Yukarıda gösterildiği gibi, manyetik akı yoğunluğu ile bobin neredeyse sabittir ve şöyle verilir:

${\displaystyle B=\mu _{0}{\frac {Ni}{l}},}$

μ0 manyetik sabittir, dönme sayısıdır, ${\displaystyle i}$ akım ve ${\displaystyle l}$ bobinin uzunluğudur. Uç etkileri göz ardı edilerek, bobin boyunca akı yoğunluğu ve kesit alanını çarpılarak toplam manyetik akı elde edilir:

${\displaystyle \Phi =\mu _{0}{\frac {NiA}{l}}.}$

Indüktansın tanımıyla bu birleştirildiğinde

${\displaystyle L={\frac {N\Phi }{i}},}$

Sarmal bobinin indüktansı aşağıdaki gibidir:

${\displaystyle L=\mu _{0}{\frac {N^{2}A}{l}}.}$

Çeşitli çap ve uzunluk oranlarına sahip kısa sarmal bobinler için bir indüktans tablosu Dellinger, Whittmore ve Ould tarafından hesaplanmıştır.^[2]

Bu ve daha karmaşık şekillerin indüktansı Maxwell’in denklemlerinden türetilebilir. Sabit hava basınçlı bobinler için, indüktans bobinin geometrisi ve dönme sayısının bir fonksiyonudur ve akımdan bağımsızdır.

Benzer analizler bir manyetik çekirdeği olan sarmal bobine; ancak bobinin uzunluğu, manyetik çekirdeğin ve çapın bağıl göreceli veriminden daha fazlaysa uygulanabilir. Bu basit analiz, düşük geçirgenlikli çekirdekleri veya aşırı uzun ince sarmal bobinleri sınırlar. Bir çekirdeğin varlığı manyetik alan sabiti μ₀ ile μ (geçirgenlik) veya μ₀μ_r (μr bağıl geçirgenlik) ile yer değiştiğinde, yukarıdaki denklemler hesaba katılabilir. Ferromanyetik maddelerin geçirgenliği uygulanan manyetik akı ile değiştiğinde, ferromanyetik çekirdekli bir bobinin indüktansı genellikle akımla değişir.

Uygulamalar

Elektromekanik sarmal bobinler

1920’de elektromekanik uyarıcı olarak kullanılan ticari sarmal bir bobinin açıklaması

Elektromekanik sarmal bobinler elektromanyetik indüktans bobini, bobine sarılı hareket edebilen çelik veya demir bir muştadan (teçhizatta kullanılan bir terim) oluşur. Bobin; indüktansını değiştirerek ve bir elektromıknatısa dönüşerek, teçhizatın merkezinin içine ve dışına hareket edebileceği biçimde şekillendirilir. Teçhizat bazı mekanizmalara (basınçlı hava kapakçığını kontrol etmek gibi) mekanik bir baskı sağlamak için kullanılır. Kısa mesafeler dışında oldukça zayıf olmasına rağmen, sarmal bobinler denetleyici devre tarafından direk kontrol edilebilir ve hızlı tepki zamanlarına sahiptir.

Teçhizata uygulanan kuvvet teçhizatın pozisyonunun değişimine ve bobinden geçen akıma (Faraday’ın indüktans yasasına bakınız.) bağlı değişen bobin indüktansı ile orantılıdır.

Teçhizata uygulanan kuvvet her zaman bobinin indüktansını arttıran bir yönde hareket edecektir.

Elektromekanik sarmal bobinler yaygın olarak elektronik paintball göstergelerinde, tilt oyun makinelerinde, iğneli yazıcılarda ve yakıt enjektörlerinde görülürler.

Orantılı Sarmal Bobinler – Bu kategorideki sarmal bobinler, sarmal bobin piston analog konumlandırmasını veya bobin akımının bir fonksiyonu olarak teçhizatı etkileyen manyetik akımlar olarak eşsiz bir biçimde tasarlanırlar. Eksensel ya da döner bu gibi sarmal bobinler yüksek bir başlangıç kuvveti (tork) oluşturan geometrik bir akı sağlarlar ve hızlı manyetik bir doygunluk başlatan bir kesite sahiptirler. Sarmal bobinin işlevsel hareketi boyunca gelişen sonuç kuvveti (tork) neredeyse düz bir yüzey sağlar ve yüksek bir değerden düşük bir değere doğru iner. Sarmal bobin konumlandırması, ara hareketi durdurması veya düşük hız etkinleştirmesi için; özellikle kapalı döngülü bir kontrol sisteminde kullanışlı olabilir.

Tek yönlü sarmal bobin karşıt bir kuvvete karşı etkinleşebilir veya çift yönlü sarmal bobin kendi kendine periyodik olarak işleyebilir. Bu orantıdaki görüş SAE 860759 (1986) yayınında tam olarak tanımlanmıştır.

Döner sarmal bobin

Döner sarmal bobin güç uygulandığında yorulma bozunum mekanizmasını döndürmek için kullanılan bir elektromekanik cihazdır. Bu cihazlar 1950’lerde elektromekanik kontrollerde döner düğmeli otomasyonlar için kullanılırdı. Döner sarmal bobinlerin tekrarlanan etkileşimi, döner düğmeli sarmal bobini ileri bir pozisyona götürür. Döner düğme aksının karşıt ucundaki iki döner etkinleştirici ilerleyebilir veya anahtar pozisyonu tersine dönebilir.

Döner sarmal bobin, doğrusal sarmal bir bobine çekirdeğin büyük ve düz bir yüzey diskinin merkezine yerleşmiş olmasının dışında görünüş olarak benzemektedir. Düz yüzey diski iki veya üç eğri yarığı, diskin alt kısmına doğru ayırır. Bu yarıklar sarmal bobin gövdesinde yarıkların hareketiyle sıralanır.

Sarmal bobin etkinleştirildiğinde, çekirdek bobinin içine çekilir ve disk yarıklarındaki bilye yataklarını bobin gövdesine doğru hareket ettirecek şekilde döndürür. Güç kaynağı kaldırıldığında, diskteki kaynak başlangıç durumuna gitmek için döner ve hatta bobinden çekirdeği dışarı doğru çeker.

Döner sarmal bobin 1944’te Dayton, Ohio’lu George H. Leand tarafından havadan düşen bombalar için daha güvenilir ve şok/titreşim tolerans salınım mekanizması sağlamak üzere keşfedildi. Daha önceleri kullanılan doğrusal sarmal bobinler (eksensel) yanlışlıkla yapılan salınımlara meyilliydi. U. S. patent numarası 2,496,880 elektromıknatıs ve ona sapan kanallar keşfin temelini tanımlamaktadır. Leland’lı mühendis Earl W. Kerman döner sarmal bobinle birlikte uyumlu bomba salınım kilidi geliştirme konusunda etkindi. Bu tür bir bomba kilidi Ohio, Dayton USAF Ulusal Müzesi’nde sergilenen bir B-29 uçak iskeletinde bulunmuştu. Bu çeşitlilikteki sarmal bobinler sayısız modern uygulamalarda kullanılmaya devam edilmektedir ve hala şu an Johnson Elektik’in sahip olduğu Leland’ın orijinal markası “Ledex” adı altında satılmaktadır.

Döner Ses Bobini

Bir döner ses bobini, sarmal bobinin dönen versiyonudur. Genellikle sabit mıknatıs dışarıdadır ve bobin kısmı bobinden geçen akım tarafından kontrol edilen bir arkı hareket ettirir. Döner ses bobini disk sürücülerinde yaygın olarak kullanılır.

Hava basınçlı sarmal bobin kapakçığı

Bir hava basınçlı sarmal bobin kapakçığı herhangi bir hava basınçlı cihazın havayı yönlerdimesi için bir anahtardır ve büyük bir cihaz kontrolü için göreceli olarak küçük bir sinyale izin verir. Hatta elekronik denetleyiciler ve hava basıncı sistemleri arasında bir arayüzdür.

Su basınçlı sarmal bobin kapakçığı

Su basınçlı sarmal bobin kapakçıkları genellikle hava basınçlı sarmal bobin kapakçıkları ile yaklaşık 3000 psi (210 bar, 21 MPa, 21 MN/m²) civarındaki su basınçlı akışkan akımı kontrol etmeleri dışında aynıdır. Su basınçlı makineler, sarmal bobin etkinleştiricilerindeki veya basınç tokmaklarındaki akışkan akımı kontrol etmek için kullanırlar.

Sarmal bobin kontrollü kapakçıklar genellikle zayıf sarmal bir bobinin küçük bir pilot kapakçığını açıp kapattığı sulama sistemlerinde de kullanılır. Pilot kapakçık ana kapakçıktaki pistona akışkan basınç uygulayarak veya membranı mekanik olarak ana kapakçığa eşleyerek etkinleştirir. Sarmal bobinlerden çamaşır makinelerinin akışı ve makinedeki su miktarını kontrol ettiği günlük ev işlerinde de yararlanılmaktadır.

İletken sarmal bobinler otomatik iletkenlik boyunca akışkan akımı kontrol ederler ve genellikle iletken kapakçık gövdesinde yüklüdürler.

Otomobil Sarmal Bobin Başlatıcısı

Bir araba ya da kamyonun içinde, sarmal bobin başlatıcısı otomobil başlangıç sisteminin bir parçasıdır. Sarmal bobin başlatıcısı arabanın aküsünden büyük bir elektrik akımını ve ateşleme tuşundan küçük bir elektrik akımını alır. Ateşleme tuşu kapandığında (örneğin anahtar arabayı çalıştırmaya başladığında) küçük elektrik akımı sarmal bobin başlatıcısını bir çift güçlü teması kapatmak için zorlar. Böylece büyük elektrik akımı başlangıç motorunun yerini alır.

Başlatıcı sarmal bobinler başlatıcının kendi içine kurulabilir, genellikle başlatıcının dışında görünürler. Eğer bir başlatıcı sarmal bobin güç kaynağından yetersiz güç alırsa, motor başlamayacaktır ve takır tıkır sesler yapabilir. Bu durum kablodaki aşınma veya bağlantı kaybından, düşük veya ölü bir güç kaynağından ve güç kaynağındaki bozulmuş veya zarar görmüş artı (kırmızı) kablodan kaynaklanabilir. Bunlardan herhangi biri sarmal bobine az miktardaki güç aktarımı sağlayabilir, fakat bu güçlü bağlantıları kapalı tutmak için yeterli değildir. Bu yüzden başlatıcı motor kendi kendini asla çevirmez ve motor çalışmaya başlamaz

Ayrıca bakınız

• İndüktans
• Helmholtz Bobini
• Elektromıknatıs

Kaynak

https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Solenoid&action=edit

1. http://nukephysik101.files.wordpress.com/2011/07/finite-length-solenoid-potential-and-field.pdf
2. D. Howard Dellinger, L. E. Whittmore, and R. S. Ould (1924). "Radio Instruments and Measurements". NBS Circular (National Bureau of Standards) C74. http://books.google.com/books?id=Xn8KbsgeFrwC&pg=PA248. Erişim tarihi: 2009-09-07.