电磁铁的工作原理

作者:马歇尔的大脑&克里斯波莱特|

电磁铁
需要整理一些废金属吗?电磁铁来救援!在这里,一个电磁铁被用来捡起被没收的大约3500支枪支中的一部分进行熔化。大卫McNew /盖蒂图片社

破坏场地、摇滚音乐会和你的前门有什么共同点?它们各自使用电磁铁这是一种通过用电产生磁场的装置。废车场使用非常强大的电磁铁将沉重的废金属块甚至整辆汽车从一个地方移到另一个地方。你最喜欢的乐队用电磁铁来放大扬声器发出的声音。当有人按你的门铃时,一个微小的电磁铁拉着一个金属板撞击门铃。

从机械上讲,电磁铁相当简单。它由一段导电导线组成,通常是铜线,缠绕在一块金属上。喜欢科学怪人,这似乎只是一个松散的零件集合,直到出现在画面中。但你不必等到一场风暴来激活电磁铁。电流从电池或其他电源引入,流过导线。这会在线圈周围产生磁场,使金属磁化,就像它是一个永久磁铁一样。电磁铁是有用的,因为你可以通过完成或中断电路分别打开和关闭磁铁。

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在我们进一步讨论之前,我们应该讨论一下电磁铁与普通“永久”电磁铁的区别磁铁就像那些把你的冰棒艺术贴在冰箱上的人。正如你所知道的,磁铁有两个极,“北”和“南”,并吸引由钢、铁或它们的某种组合例如,如果你有两块两端分别标有“北”和“南”的条形磁铁,那么一块磁铁的北端将吸引另一块磁铁的南端。另一方面,一块磁铁的北端将排斥另一块磁铁的北端(同样,南方会排斥南方)。电磁铁也是这样,只是它是“暂时的”——磁场只有在电流流动时才存在。

门铃就是一个很好的例子,说明了如何在永磁体没有任何意义的地方使用电磁铁。当客人按下前门上的按钮时,门铃内部的电子电路就会闭合电路回路,这意味着电路完成并“接通”了。闭合电路允许电流流动,产生磁场,使拍子被磁化。大多数传统门铃的硬件由一个金属铃和一个金属板组成,当磁性的拉力使它们叮当作响时,你就能听到里面的钟声。门铃响了,客人松开了按钮,电路打开了,门铃停止了可怕的铃声。这种随需应变的磁性使电磁铁如此有用。

在这篇文章中,我们将仔细研究电磁铁,并发现这些设备如何将一些相当酷的科学应用到我们周围的小发明中,使我们的生活更轻松。

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电磁铁的历史

迈克尔·法拉第的马蹄形电磁铁
1830年左右,英国物理学家和化学家迈克尔·法拉第使用的大马蹄形电磁铁。
斯金格/赫尔顿存档盖蒂图片社

两者之间的关系磁性直到1873年物理学家麦克斯韦观察到正负电荷之间的相互作用[来源:马洪]通过不断的实验,麦克斯韦确定了这些电荷根据它们的方向相互吸引或排斥。他也是第一个发现磁铁有磁极或电荷集中的各个点的人。而且,麦克斯韦观察到,对电磁学来说很重要的是,当电流通过导线时,会产生电流导线周围的磁场。

麦克斯韦的工作为当时的许多科学原理做出了贡献,但他并不是第一个进行电和磁实验的科学家。将近50年前,汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现,当他实验室里的电池开关时,他使用的指南针会发生反应[来源:格雷戈里]只有当存在干扰罗盘指针的磁场时,才会发生这种情况,因此他推断磁场是由电池的电流产生的。但是奥斯特被吸引到了化学领域,把电和磁的研究留给了其他人[来源:马洪].

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电磁学的鼻祖是迈克尔·法拉第他是一位化学家和物理学家,他建立了许多后来被麦克斯韦所建立的理论。其中一个原因法拉第他在历史上比麦克斯韦或奥斯特更为突出,这可能是因为他是一位多产的研究者和发明家。他被广泛认为是电磁学的先驱,但他也被认为是发现了电磁感应的人,我们将在稍后探索一些实际应用时讨论这一点。法拉第还发明了d电动马达除了他在物理学方面有影响力的工作外,他还是第一个被任命为英国皇家学院富勒尔化学教授的人。不太寒酸。

这些人的工作发现了什么?在下一节中,我们将看看电磁铁是如何工作的。

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电磁铁的粘附力

这张图显示了一个简单的电磁铁。
这张图显示了一个简单的电磁铁。
工作原理

正如我们在介绍中提到的,基本的电磁铁并不那么复杂;你可以做一个简单的你自己使用的材料,你可能有躺在房子周围。通常是绝缘铜的导线绕在金属棒上。电线接触时会发热,这就是为什么绝缘很重要的原因。缠绕电线的杆称为a电磁,由此产生的磁场从这一点向外辐射。磁铁的强度与绕在棒上的线圈圈数直接相关。要获得更强的磁场,导线应缠绕得更紧。

好的,还有一点。绕在棒或磁芯上的导线越紧,绕在棒或磁芯上的电流就越多,从而增加磁场强度。除了导线绕得有多紧,磁芯所用的材料还可以控制磁芯的强度磁铁.例如,铁是铁磁性金属,意味着它具有高渗透性[来源:波士顿大学].磁导率是描述材料支撑磁场能力的另一种方式。某种材料对磁场的导电性越强,其磁导率就越高。

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一切物质,包括电磁铁的杆,由原子在螺线管通电之前,金属芯中的原子是随机排列的,不指向任何特定的方向。当引入电流时,磁场穿透磁棒并重新排列原子。随着这些原子的运动,磁场也在同一方向上增长。原子的排列,小区域被磁化的原子称为,随着电流水平的增加和减少,因此通过控制电流,可以控制磁铁的强度。当所有磁畴对齐时,会出现一个饱和点,这意味着增加额外的电流不会导致磁性增加。

通过控制电流,你可以打开或关闭磁铁。当电流关闭时,原子会恢复到它们自然的、随机的状态,棒子也会失去磁性(从技术上讲,它会保留一些磁性,但不多,也不会持续很长时间)。

对于普通的永久磁铁,比如把家里狗的照片放在冰箱上的那种,原子总是对齐的,磁铁的强度是恒定的。你知道你可以通过把永磁体扔到地上来消除它的粘附力吗?这种撞击实际上会导致原子偏离轨道。它们可以通过在上面摩擦磁铁再次被磁化。

这个为了给电磁铁供电,电磁铁必须来自某个地方,对吗?在下一节中,我们将探索这些磁铁获取能量的一些方法。

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把“电”放在“电磁铁”里

线圈绕铁芯,铁芯电磁铁。
这是基本电磁铁中的磁场。
极盛时期/思想库

既然操作电磁铁需要电流,那么电流从何而来?答案是任何产生电流的东西都可以驱动电磁铁。从小型AA开始电池用在你的电视遥控器上的大型工业发电站直接从网格如果它能储存和转移电子,那么它就能给电磁铁供电。

让我们先来看看家用电池的功能。大多数电池有两个很容易识别的极,正极和负极。当电池不使用时,电子在负极聚集。当电池插入装置时,两极与装置内的传感器接触,闭合电路,使电子在两极之间自由流动。就你的遥控器来说,这个装置是用负载,或出口点,为储存在电池中的能量[来源:格罗斯曼].负载将能量用于操作遥控器。如果你只是简单地在没有负载的情况下将电线直接连接到电池的两端,能量会很快从电池中消耗掉。

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当这个过程发生时,移动的电子也会产生磁场。如果你把电池从遥控器里拿出来,它可能会保留一小块磁荷。你不能用遥控器开一辆车,但可以开一辆小的甚至是一个回形针。

另一个极端是地球本身。根据我们前面讨论过的定义,当电流围绕铁芯流动时,就产生了电磁铁。地核是铁,我们知道它有北极和南极。这不仅仅是地理上的标记,而是实际相反的磁极。发电机的效果这是一种由于液态铁穿过外核的运动而在铁中产生大量电流的现象,它会产生电流。电流会产生磁荷,这是自然的磁性指南针工作的原因是地球的引力。指南针总是指向北方,因为金属针被北极的拉力吸引。

显然,在小型自制科学实验和地球本身之间有着广泛的电磁学应用。那么,这些设备在现实世界中会出现在哪里呢?在下一节中,我们将看看电磁学是如何影响我们的日常生活的。

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我们周围的电磁铁

电磁铁
大型强子对撞机(LHC)的电磁铁形状像一个巨大的下巴。它由两个27吨(24吨)线圈组成,安装在一个1450吨(1315吨)的后膛内。弗朗西斯DEMANGE /盖蒂图片社

许多电磁铁比永磁体有优势,因为它们可以很容易地打开和关闭,并增加或减少的数量围绕核心流动可以控制它们的力量。

现代技术在很大程度上依赖电磁铁来使用磁记录设备存储信息电脑硬盘例如,微小的磁化金属片以特定于保存信息的模式嵌入到磁盘上。这些数据最初是作为二进制数字计算机语言(0和1)出现的.当你检索到这些信息时,模式会转换成原始的二进制模式并转换成可用的形式。那么,是什么让这成为电磁铁呢?流经计算机电路的电流会磁化这些微小的金属。这与磁带录音机中使用的原理相同,录象机和其他基于磁带的媒体(是的,你们中的一些人仍然拥有磁带机和录像机)。这就是为什么磁铁有时会对这些设备的记忆造成严重破坏。

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如果你给手机或平板电脑无线充电,你可以每天使用电磁学。充电板会产生磁场。你的手机有一个与充电器同步的天线,允许电流流动. 正如你所想象的,像这样的设备内部的电磁线圈很小,但是较大的线圈可以给较大的设备充电,比如电动汽车。

电磁铁也为真正利用电的潜力铺平了道路。在电器中,电动机运动是因为从墙上插座流出的电流产生了磁场。驱动马达的不是电力本身,而是磁铁产生的电荷。磁铁的力量产生旋转运动,这意味着它们围绕一个固定点旋转,就像轮胎围绕轴旋转一样。

所以,为什么不跳过这个过程,直接用插座给发动机首先呢?因为为一个电器供电所需的电流是相当大的。你是否注意到,打开电视机或洗衣机等大型电器有时会导致家里的灯闪烁?这是因为这个装置最初消耗了大量的能量,但这大量的能量只需要启动电机。一旦发生,这个循环电磁感应接管。

从家用电器开始,我们将研究一些有史以来最复杂的机器,看看电磁铁是如何被用来解开宇宙起源的。粒子加速器是一种以难以置信的速度推动带电粒子相互碰撞的机器,以便观察它们碰撞时发生的情况。这些亚原子粒子非常精确,控制它们的轨迹非常关键,因此它们不会偏离轨道并损坏机器。这就是电磁铁的作用。磁铁沿着碰撞光束的路径放置,它们的磁性实际上用于控制它们的速度和轨迹[来源:新教师].

对我们那位电磁铁朋友来说,这份简历还不错吧?从你可以在车库里创造的东西到科学家和工程师用来破译的工具宇宙起源在美国,电磁铁在我们周围的世界中扮演着相当重要的角色。

准备好自己进行一些电磁实验了吗?继续读下去,你会有一些有趣的想法。

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DIY电磁铁和实验的尝试

电磁铁容易制作;只需几件硬件和一个电源就能让你上路。首先,你需要以下物品:

  • 指甲,至少6英寸(15厘米)长
  • 22号绝缘铜线的长度
  • 一个d型电池

一旦你有了这些物品,从铜线的每一端移除绝缘层,刚好足以提供与电池的良好连接。把铁丝绕在钉子上;包裹得越紧,磁场就越强。最后,连接电池通过将导线的一端连接到正极端子,另一端连接到负极端子(导线的哪一端与哪个端子配对并不重要)。急板地!工作电磁铁[来源:杰弗逊实验室].

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无法获得足够的动手电磁实验?我们还有一些想法供您尝试:

  • 是什么有磁性的一根线圈绕在钉子上的力量?10圈电线?100年的吗?尝试不同数量的转弯,看看会发生什么。一种测量和比较磁铁“强度”的方法是看它能捡起多少钉子。
  • 磁铁的铁芯和铝芯有什么区别?例如,紧紧卷起一些铝箔,用它代替钉子作为磁铁的磁芯。会发生什么?如果你使用塑料磁芯,比如钢笔,会怎么样?
  • 电磁阀呢?螺线管是电磁铁的另一种形式。它是一种电磁管,通常用于线性移动一块金属。找到一根吸管或一支旧钢笔(移开墨水管)。还可以找到一个小钉子(或一个拉直的回形针)这将很容易滑入管内。在管周围缠绕100圈电线。将钉子或回形针放在线圈的一端,然后将线圈连接到电池。注意钉子是如何移动的?螺线管用于各种地方,尤其是锁。如果汽车有动力锁,它们可以使用电磁阀进行操作。电磁阀的另一个常见操作是用一个薄的圆柱形永磁体代替钉子。然后,您可以通过改变电磁阀中磁场的方向来移入和移出磁铁。(如果尝试在电磁阀中放置磁铁,请小心,因为磁铁可能会弹出。)
  • 我怎么知道真的有磁场?你可以用铁屑观察导线的磁场。买一些铁屑,或者用磁铁在操场或沙滩上找到你自己的铁屑。在纸上撒一层薄薄的粉,然后把纸放在磁铁上。轻敲纸,纸屑会与磁场对齐,让你看到它的形状!

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原版:2000年4月1日

电磁铁常见问题解答

电磁铁是怎么做的?
你可以自己制作一个简单的电磁铁,用的材料可能就在家里。一种导电导线,通常是绝缘的铜线,缠绕在一根金属棒上。电线一接触就会变热,这就是为什么绝缘很重要。包裹电线的杆被称为螺线管,产生的磁场从这一点辐射出去。磁铁的强度与线圈绕在磁棒上的次数直接相关。为了使磁场更强,导线应该缠得更紧。
什么是电磁铁,它是如何工作的?
电磁铁通过电的作用产生磁场。当你引入电流,无论是来自电池还是其他电源的电流,它都会流过导线。这会在线圈周围产生磁场,使金属磁化,就像它是一个永久磁铁一样。电磁铁是有用的,因为你可以通过完成或中断电路分别打开和关闭磁铁。
电磁铁的主要特性是什么?
一个关键特征是电磁铁有磁场,但只有在电流流动时才有磁场。它们用于常规磁铁没有任何意义的场合。

更多的信息

相关文章

  • 《电磁铁》,《大英百科全书在线》,2021年8月22日。http://www.britannica.com/EBchecked/topic/183188/electromagnet
  • “铁磁物质。”波士顿大学。2021年8月22日。http://physics.bu.edu/~duffy/py106/MagMaterials.html
  • 盖格农,史蒂夫。杰佛逊实验室资源。“什么是电磁铁?”https://education.jlab.org/qa/electromagnet.html
  • 格雷戈瑞,弗雷德里克。《奥斯特与电磁学的发现》是浪漫主义科学的插曲。佛罗里达大学历史系,1998。
  • 丽莎·格罗斯曼:“充满等离子体的管子在实验室里制造太阳喷发”,《连线》杂志,2010年8月31日。(2021年8月22日)http://www.wired.com/wiredscience/2010/08/solar-eruption-in-a-tube/
  • 曼斯菲尔德。A.N.《电磁铁的设计和构造》草稿打印。2007年7月。
  • 《无线充电解释:它是什么以及它是如何工作的?》《大众科学》,2018年3月28日(2021年8月22日)https://www.computerworld.com/article/3235176/wireless-charging-explained-what-is-it-and-how-does-it-work.html
  • 新教师。“新星——:欧洲核子研究中心”。2007年8月。(2021年8月22日)http://www.pbs.org/wgbh/nova/teachers/viewing/3410_02_nsn.html
  • 《螺线管、电磁铁和电磁线圈》,纳布出版社,2010年3月20日。

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