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科普小課堂之電磁鐵引語
在日常生活中，電磁鐵的身影隨處可見。工廠里吊運(yùn)重物的電磁起重機(jī)，輕輕一吸就能將數(shù)噸重的鋼材輕松吊起（有圖 1）；家中的電磁門鎖，“滴”的一聲驗(yàn)證通過后，內(nèi)部電磁鐵運(yùn)作，門鎖便能順利打開（有圖 2）；還有那風(fēng)馳電掣般的磁懸浮列車，利用電磁鐵的作用力，實(shí)現(xiàn)了無接觸的高速行駛（有圖3）。這些看似平常的應(yīng)用，背后卻隱藏著豐富的高中物理知識，通過深入研究電磁鐵，我們能夠串聯(lián)起電場、磁場、電磁感應(yīng)等多個關(guān)鍵物理概念，更深入地理解電磁學(xué)的奧秘。
一、電磁鐵的基本構(gòu)造與工作原理（基本構(gòu)造：）電磁鐵（Electromagnet）是通電產(chǎn)生電磁的一種裝置，屬非永久磁鐵，于 1825 年由英國人威廉·思特金發(fā)明。電磁鐵所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與直流電大小、線圈圈數(shù)及中心的導(dǎo)磁物質(zhì)有關(guān)，在設(shè)計(jì)電磁鐵時會注重線圈的分布和導(dǎo)磁物質(zhì)的選擇，并利用直流電的大小來控制磁場強(qiáng)度。（圖四）電磁鐵是通電產(chǎn)生電磁的一種裝置。電磁鐵主要由螺線管和鐵芯兩部分組成。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導(dǎo)電繞組，這種通有電流的線圈像磁鐵一樣具有磁性。我們通常把它制成條形或蹄形狀，以使鐵芯更加容易磁化。另外，為了使電磁鐵斷電立即消磁，我們往往采用消磁較快的的軟鐵或硅鋼材料來制作。這樣的電磁鐵在通電時有磁性，斷電后磁就隨之消失。原理：當(dāng)在通電螺線管內(nèi)部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管的磁場磁化。磁化后的鐵芯也變成了一個磁體，這樣由于兩個磁場互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。電磁鐵的鐵芯用軟鐵制做，而不能用鋼制做。否則鋼一旦被磁化后，將長期保持磁性而不能退磁，則其磁性的強(qiáng)弱就不能用電流的大小來控制，而失去電磁鐵應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，會在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生磁場。應(yīng)用這性質(zhì)，將電流通過螺線管時，則會在螺線管之內(nèi)制成均勻磁場。假設(shè)在螺線管的中心置入鐵磁性物質(zhì)，則此鐵磁性物質(zhì)會被磁化，而且會大大增強(qiáng)磁場。電磁鐵所產(chǎn)生的磁場與電流大小、線圈圈數(shù)及中心的鐵磁體有關(guān)。在設(shè)計(jì)電磁鐵時，會注重線圈的分布和鐵磁體的選擇，并利用電流大小來控制磁場。由于
線圈的材料具有電阻，這限制了電磁鐵所能產(chǎn)生的磁場大小，但隨著超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，將有機(jī)會超越現(xiàn)有的限制。電磁鐵是可以通電流來產(chǎn)生磁力的器件，屬非永久磁鐵，可以很容易地將其磁性啟動或是消除。例如：大型起重機(jī)利用電磁鐵將廢棄車輛抬起。二、磁場的描述與安培定則為了精確描述磁場的性質(zhì)，物理學(xué)家引入了磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）這一物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，它的大小反映了磁場的強(qiáng)弱程度，方向則表示磁場中某點(diǎn)小磁針 N 極的受力方向。在國際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T）。對于電磁鐵產(chǎn)生的磁場，我們可以利用安培定則（也叫右手螺旋定則）來判斷其方向。伸出右手，握住螺線管，讓四指沿著螺線管中電流的方向環(huán)繞，此時大拇指所指的那一端，就是螺線管的 N 極。安培定則就像是一把萬能鑰匙，不僅適用于電磁鐵，對于各種形狀的通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場方向判斷，都有著重要的指導(dǎo)意義。三、安培力與洛倫茲力安培力（Ampere's force）是通電導(dǎo)線在磁場中受到的作用力。法國物理學(xué)家 A·安培首先通過實(shí)驗(yàn)確定?？杀硎鰹椋阂噪娏鲝?qiáng)度為I 的長度為L 的直導(dǎo)線，置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的均勻外磁場中，則導(dǎo)線受到的安培力的大小為 f=IBLsinα，式中α為導(dǎo)線中的電流方向與 B 方向之間的夾角，f、L、I 及B的單位分別為 N、m、A 及 T。安培力的方向垂直于由通電導(dǎo)線和磁場方向所確定的平面，且 I、B 與 F 三者的方向間由左手定則判定。任意形狀導(dǎo)線在均勻磁場中受到的安培力，可看作無限多直線電流元 IΔL 在磁場中受到的安培力的矢量和。
在狹義相對論中，安培力與帶電粒子的洛倫茲力之間有一定的聯(lián)系。運(yùn)動電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力，即磁場對運(yùn)動電荷的作用力。洛倫茲力的公式為 F=QvB。
荷蘭物理學(xué)家洛倫茲（有圖 5）首先提出了運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場和磁場對運(yùn)動電荷有作用力的觀點(diǎn)，為紀(jì)念他，人們稱這種力為洛倫茲力。四、電磁感應(yīng)現(xiàn)象與法拉第電磁感應(yīng)定律電磁鐵在工作過程中，還涉及到神奇的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)電磁鐵的電流發(fā)生變化時，其周圍的磁場也會隨之改變，而變化的磁場會在周圍空間產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果在這個變化磁場的區(qū)域內(nèi)存在閉合回路，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這一現(xiàn)象最早由英國物理學(xué)家法拉第經(jīng)過多年的艱苦探索發(fā)現(xiàn)，開啟了人類大規(guī)模利用電能的新紀(jì)元，也就是我們常說的 “磁生電” 現(xiàn)象。法拉第電磁感應(yīng)定律指出，閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，公式為 E = nΔΦ/Δt，其中 n 為線圈匝數(shù)，ΔΦ為磁通量的變化量，Δt 為發(fā)生這一變化所用的時間。在電磁鐵中，當(dāng)電流快速通斷或變化時，就會在周圍的閉合導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。例如，在變壓器中，利用電磁鐵的原理，通過原線圈中電流的變化產(chǎn)生變化的磁場，從而在副線圈中感應(yīng)出電動勢，實(shí)現(xiàn)電壓的變換。正是因?yàn)橛辛俗儔浩?，我們才能將發(fā)電廠發(fā)出的高壓電，變成適合家庭使用的 220V 交流電。
五、自感與互感現(xiàn)象
在電磁鐵中，還有兩種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象 —— 自感和互感。自感是指由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)電磁鐵的電流變化時，它自身產(chǎn)生的變化磁場會在螺線管內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個感應(yīng)電動勢總是阻礙原電流的變化，就像一個倔強(qiáng)的孩子，總是和原電流 “對著干”。自感系數(shù)（L）是描述自感強(qiáng)弱的物理量，其大小與線圈的匝數(shù)、橫截面積、長度以及鐵芯的材料等因素有關(guān)。自感現(xiàn)象在日光燈的啟動器、電感線圈等設(shè)備中有著重要應(yīng)用。在日光燈啟動時，啟動器中的自感線圈會產(chǎn)生一個瞬間高壓，幫助日光燈順利點(diǎn)亮。
互感是指兩個相互靠近的線圈，當(dāng)一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所產(chǎn)生的變化磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電磁鐵與周圍的其他線圈之間就可能存在互感現(xiàn)象。變壓器就是利用互感原理制成的，它通過原、副線圈之間的互感，實(shí)現(xiàn)了電能的高效傳輸和電壓的靈活變換，在電力系統(tǒng)中起著不可或缺的作用。從發(fā)電廠到千家萬戶，無數(shù)的變壓器在默默工作，保障著我們的用電需求。
