螺线管

物理学术语

螺线管（Solenoid）是个三维线圈。

名词解释

在工程学里，螺线管也指为一些转换器（transducer），将能量转换为直线运动。螺线管操作阀（solenoid valve）是一种综合原件，内中最重要的组件是机电螺线管。机电螺线管是一种机电原件，可以用来操作气控阀或液压阀。螺线管开关是一种继电器，使用机电螺线管来操作电开关。例如，汽车的起动器螺线管是一种机电螺线管。

由导线绕成的通常为长圆柱形的线圈。电流通过线圈时产生磁场(magnetic field)。此磁场能移动置于其轴线上的铁棒。螺线管常用于通过导通或切断电流的方式来操纵与铁棒相连接的机械阀门。在大多数汽车中螺线管用于操纵给起动发动机供能的大电流开关。

磁场

再思考回路c，根据安培定律，因为没有任何电流穿过回路c，所以，磁场沿着回路c的分量的线积分，又称为磁场绕着回路c的环流量，等于零。在螺线管内，因为对称性，磁场绕着回路c的径向部分的环流量等于零。但是，螺线管内轴向部分（z-轴方向）的环流量不等于零：朝着正z-轴方向，磁场绕着直线段1的环流量，与朝着负z-轴方向，磁场绕着直线段2的环流量，两个环流量相等。随着螺线管趋向于无限长，我们可以假设磁场不相依于z-坐标，在直线段1任意位置的磁场都相等。同样的，在直线段2任意位置的磁场都相等。所以，在直线段1任意位置的磁场等于直线段2任意位置的磁场。由于我们可以任意改变回路的尺寸，而得到答案仍旧不变，所以，唯一可能的解释，就是在螺线管内的磁场是个常数，不随位置的不同而改变。同样的论点可以用在回路a，所以，在螺线管外的磁场是个常数，不随位置的不同而改变。假设螺线管的管长趋向于无限长，则可以忽略边缘效应（fringe effect）。思考回路b，使用右手定则来寻找环绕着载流导线的磁场。假若我们将右手握住载流导线，大拇指指向电流方向，则其它手指会指向磁场的方向。对于一个管长很长的螺线管，磁场的径向部分都因为对称性而互相抵消。所以，只有z-分量不等于零。在螺线管内，磁场朝着正z-轴方向；在螺线管外，磁场朝着负z-轴方向。

通电螺线管的极性跟电流方向间的关系，可以用右手螺旋定则来判断。就是用右手握住螺线管，让四根手指弯曲且跟螺线管中电流的方向一致，则大拇指所指的那端就是螺线管的N极。注意：右手螺旋定则中所说的“电流的方向”是指螺线管中“电流的环绕方向”，右手四根手指的弯曲方向应跟电流的环绕方向一致。

再思考回路b。根据安培定律，磁场绕着回路b的环流量是我们可以直觉地表明，在螺线管外的磁场等于零。磁场线只以闭合回路的形式存在。它不能像电场线一样地从一点发散出来，或收敛于一点。假设螺线管内的磁场线的方向是朝上，则螺线管外的磁场线的方向是朝下。它们形成一条闭合回路。但是，外面的体积超大于里面的体积，外面的磁场线密度超低。在无限远位置，磁场线密度等于零，磁场等于零。回想到外面的磁场是个常数，因此，外面的磁场也等于零。总结，随着螺线管趋向于无限长，外面的磁场趋向于零。

Bh = μ0nih；其中，B是磁场，h是回路b的轴向长度，μ0是真空磁导率，n是单位长度的线圈数，i是电流。

所以，磁场是B = μ0ni。这个方程只对空心的螺线管有效。假设，螺线管内中含有金属芯（例如铁芯），则虽然其它参数不变，磁场的大小会有所改变。用方程表达B = μ0μrni；其中，μr是金属芯的相对磁导率（relative permeability）。

磁场又可以用金属芯的磁导率μ = μ0μr来表达为B = μni。

机电螺线管

机电螺线管常见于电子弹珠台、点阵式打印机、燃料喷射装置等等。机电螺线管是由电磁感应线圈，卷绕于可移动的不锈钢或铁材质的电枢（armature）外面，所组成的机电原件。当感应线圈乘载电流时，会有磁场产生，感应线圈变成一个电磁铁，吸引或排斥电枢，造成电枢的移动。这机制所给出的机械力可以用来操控其它机械（像气控阀或液压阀）。机电螺线管给出的是近距离作用力；对于远距离，作用力会显得微弱。由于可以用控制电路直接控制，机电螺线管的反应时间非常快速。

螺线管气控阀

螺线管气控阀是一种开关，运送空气给气控原件。后者通常是某种致动器。螺线管是由一个小尺寸线性螺线管与一个平衡的，易移动的金属芯组成的。螺线管可以控制金属芯的位置，引导气体流往正确的进气口。这共同组成的气阀，使得小量的电流施加于螺线管，就能够引导高气压的气体，通常高至100 psi（7 bar, 0.7 MPa, 0.7 MN/m2）。有些螺线管的操作规格远超过这气压。

螺线管气控阀的操作原理就好像晶体管，允许使用少量的讯号来控制很大的元件。它也是电子控制器和气控系统之间的接口元件。

螺线管液压阀

一般而言，螺线管液压阀的运作原理类似于螺线管气控阀。主要的不同处是，螺线管液压阀控制液压油的流动，液压通常大约为3000 psi（210 bar, 21 MPa, 21 MN/m2）。在航空制造业里，液压机械使用螺线管来操控液压油的流动致动器，给予致动器足够的力量来弯曲钛金属板。

螺线管操控的阀门常常用于农业灌溉系统。在这里，使用相当便宜的小尺寸螺线管来开启或关闭一个小前向导阀，让少量的水施加液压于活塞。后者机械地耦合于主阀门，有足够的力量来开关主阀门。

变速器螺线管（transmission solenoid）依赖机电作用力来调整液压油流过自动变速器的流量。离合器螺线管通常装设于变速器的阀体内部。

汽车起动器螺线管

在汽车内，起动器螺线管（starter solenoid）是汽车起动器（starter）系统的一部分，又称为起动继电器。当驾驶者转动钥匙来发动汽车时，车子的电池送出一小股电流到起动器螺线管，关闭一对重形接触。这动作允许电池送出一大股电流到汽车的起动器马达，供给马达的起动。