螺线管

螺线管（英文：solenoid）是个三维线圈。在物理学里，术语螺线管指的是多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个金属芯。当有电流通过导线时，螺线管内部会产生均匀磁场。螺线管是很重要的元件.。很多物理实验的正确操作需要有均匀磁场。螺线管也可以用为电磁铁或电感器。

在工程学里，螺线管也指为一些换能器（transducer），将能量转换为直线运动。电磁阀（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。

磁场

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）。如右图，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销。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。

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，可以假设磁场跟z-坐标无关，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。

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。

再思考回路b。根据安培定律，磁场绕着回路b的环流量是

Bh=\mu _{0}nih

；

其中， $B$ 是磁场， $h$ 是回路b的轴向长度， $\mu _{0}$ 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=\mu _{0}ni

。

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=\mu _{0}\mu _{r}ni

；

其中， $\mu _{r}$ 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 $\mu =\mu _{0}\mu _{r}$ 来表达为

B=\mu ni

。

机电螺线管

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。

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。

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界面元件。

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至致动器，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（英语：Transmission_solenoid）（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（英语：Starter_solenoid）（starter solenoid）是汽车起动器（英语：Starter_(engine)）（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电动机，供给电动机的起动。

参阅

参考文献

Halliday, David; Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamental of Physics 7th. USA: John Wiley and Sons, Inc. 2005: pp. 776–777. ISBN 0-471-23231-9.

外部链接

National High Magnetic Field Laboratory网页的Java互动指导课：螺线管产生的磁场。
Hyperphysics网页的论述：螺线管（页面存档备份，存于互联网档案馆）。
卡内基大学网页的转动声音线圈基础。