Cosa sono i solenoidi e come funzionano

Un solenoide composto da un numero N di spire quando viene percorso da una corrente elettrica di intensità i genera al suo interno un campo magnetico uniforme, ovvero che presenta la stessa intensità in tutti i punti dello spazio racchiuso dall'avvolgimento, mentre all’esterno il campo è debole al punto che può essere trascurato.

Le linee del campo sono parallele tra loro e alla direzione dell’asse del solenoide, ed equidistanti.

Oltre alla costante di proporzionalità μ che rappresenta la permeabilità magnetica e varia se il solenoide è avvolto nel vuoto o attorno a un materiale ferromagnetico, il campo magnetico all’interno del solenoide è direttamente proporzionale alla corrente i e al numero di spire N e inversamente proporzionale alla lunghezza l dell’avvolgimento; in altre parole, l’intensità del campo aumenta all’aumentare del numero di spire e della corrente, mentre diminuisce all’aumentare della lunghezza:

B = μ i N / l

Il flusso del campo magnetico attraverso una superficie S a sua volta aumenta all’aumentare del campo magnetico e della superficie; nel nostro caso il flusso si ottiene come prodotto del campo magnetico B per la superficie S delimitata dal solenoide:

Φ = B S = μi NN S / l

Il rapporto tra il flusso di campo magnetico così ottenuto e la corrente che attraversa il solenoide è costante; questo valore costante si definisce induttanza del solenoide (L), e in definitiva risulta proporzionale alla sezione del solenoide e al quadrato del numero di spire:

L =Φ / i = μNN S / l

Per quanto descritto e formulato fin qui, l’induttanza del solenoide dipende dalle caratteristiche geometriche del solenoide stesso, e rappresenta la capacità del conduttore costituito dall’avvolgimento del solenoide di opporsi alla variazione della corrente che lo attraversa.

L'induttanza è un parametro di riferimento fondamentale per determinare la forza di trazione o spinta del solenoide e, in ultima analisi, l’utilità.

Anche se spesso i due termini vengono usati come sinonimi, la differenza consiste nella diversa lunghezza dell’avvolgimento di spire.

In linea di massima, parliamo di bobina se la lunghezza è inferiore a 10 volte il raggio della singola spira, di solenoide se la lunghezza è maggiore di 10 volte il raggio della spira.

Sebbene il principio di funzionamento dei solenoidi sia sostanzialmente lo stesso, è la diversa direzione del movimento a caratterizzare i due tipi principali di solenoidi presenti in commercio: i solenoidi lineari e i solenoidi rotativi.

Vediamo più in dettaglio le caratteristiche e i campi di applicazione di entrambi i tipi.

I solenoidi lineari sono dispositivi elettromagnetici che eseguono movimenti lineari. Il campo elettromagnetico generato attrae un nucleo mobile di materiale ferromagnetico, l’armatura, in modo da farla spostare dalla posizione iniziale a quella finale in un movimento chiamato corsa e impiegato per azionare un dispositivo meccanico o una valvola.

I solenoidi lineari presentano un movimento di trazione o di spinta, che può essere unidirezionale o bidirezionale. Di solito questo tipo di solenoidi è più economico, poiché il funzionamento è più semplice rispetto ai solenoidi rotativi.

Il movimento viene definito trazione quando la forza magnetica generata fa rientrare l’armatura nel corpo del solenoide, e spinta quando l’armatura viene attratta fuori dal corpo del solenoide per fornire un’azione di spinta.

I solenoidi lineari sono presenti in commercio in diversi modelli e configurazioni, tra cui: solenoidi tubolari, solenoidi a profilo ridotto, solenoidi a telaio aperto e solenoidi bistabili.

Le applicazioni dei solenoidi lineari includono: serrature di porte, elettrovalvole, valvole di controllo, valvole a manicotto, interblocchi e deviatori di flusso.

I solenoidi tubolari sono un tipo particolare di solenoidi lineari; sono silenziosi, hanno dimensioni contenute e generalmente durano a lungo e non necessitano di manutenzione.

I solenoidi tubolari sono largamente impiegati nei sistemi di sicurezza, nei macchinari industriali e in molte applicazioni industriali gravose.

I solenoidi rotativi sono dispositivi elettromeccanici che generano una coppia di rotazione grazie all’azione di meccanismi rotanti come i cuscinetti a sfera.

In molti casi, la rotazione si trasmette direttamente a un’armatura rotante collegata al dispositivo che richiede il movimento rotatorio.

Rispetto ad altri dispositivi che generano una coppia di rotazione, i solenoidi rotativi offrono importanti vantaggi:

• Sono relativamente economici;
• A parità di coppia generata, consumano meno energia;
• In genere, durano più a lungo;
• Alcuni tipi di solenoidi rotativi generano la stessa coppia in entrambe le direzioni, una funzione che non riescono a offrire altri meccanismi a bassa potenza.

Tuttavia, i solenoidi rotativi presentano problemi che aumentano nel tempo e con l’inevitabile perdita di potenza:

• La coppia generata è limitata, a meno che non vengano utilizzati in combinazione con altri dispositivi;
• Essendo meccanismi rotativi, sono maggiormente soggetti a usura rispetto ai meccanismi lineari, fattore che incide sulla durata;
• Inoltre, la coppia di spunto di molti solenoidi rotativi è inferiore a quella di altri dispositivi, aspetto che può limitare l’utilizzo in applicazioni che non necessitano di coppie di spunto intense.

Nel complesso, i vantaggi offerti dai solenoidi rotativi li rendono utili in campi anche molto diversi tra loro, come la sicurezza, il settore sanitario e quello industriale: anche se l’applicazione più comune è quella che riguarda le linee di assemblaggio e i macchinari automatizzati, nel campo dei meccanismi di sicurezza si ricorre ai solenoidi rotativi per attivare o disattivare le complesse serrature dei caveau, e in quello sanitario i solenoidi rotativi vengono impiegati per controllare le pressioni dei fluidi o attivare pompe, come nelle macchine per dialisi.

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