電磁鐵

可以通過(guò)將線(xiàn)圈繞在軟鐵芯（如大釘子）上來(lái)創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單的電磁鐵

電磁鐵是一種臨時(shí)磁鐵，其磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生，并且為了集中磁場(chǎng)，電磁鐵的導線(xiàn)被繞成線(xiàn)圈。

我們現在從之前的教程中知道，一個(gè)直的載流導體在其長(cháng)度上的所有點(diǎn)周?chē)紩?huì )產(chǎn)生一個(gè)圓形磁場(chǎng)，并且這個(gè)磁場(chǎng)的旋轉方向取決于通過(guò)導體的電流方向，即左手定則。

在關(guān)于電磁學(xué)的最后一個(gè)教程中，我們看到，如果我們將導體彎曲成一個(gè)單環(huán)，電流將通過(guò)環(huán)在相反方向上流動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針場(chǎng)和一個(gè)逆時(shí)針場(chǎng)。電磁鐵利用這一原理，通過(guò)將幾個(gè)單獨的環(huán)磁性地連接在一起，形成一個(gè)線(xiàn)圈。

電磁鐵基本上是線(xiàn)圈，當電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，它們表現得像條形磁鐵，具有明顯的北極和南極。每個(gè)單獨的線(xiàn)圈環(huán)產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)與其相鄰的環(huán)相加，組合的磁場(chǎng)像我們在上一個(gè)教程中看到的單環(huán)一樣集中在線(xiàn)圈的中心。產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)在一端有一個(gè)北極，在另一端有一個(gè)南極，是均勻的，并且在線(xiàn)圈的中心比外部強得多。

電磁鐵周?chē)牧€(xiàn)

電磁線(xiàn)圈

產(chǎn)生的磁場(chǎng)以條形磁鐵的形式拉伸，給出一個(gè)獨特的北極和南極，磁通量與線(xiàn)圈中流動(dòng)的電流量成正比。如果在同一線(xiàn)圈上繞上額外的導線(xiàn)層，并且相同的電流流動(dòng)，磁場(chǎng)強度將會(huì )增加。

因此可以看出，在任何給定的磁路中可用的磁通量與通過(guò)它的電流和線(xiàn)圈中的導線(xiàn)匝數成正比。這種關(guān)系被稱(chēng)為磁動(dòng)勢或m.m.f.，定義為：

磁動(dòng)勢方程

磁動(dòng)勢表示為電流I通過(guò)N匝線(xiàn)圈。因此，電磁鐵的磁場(chǎng)強度由線(xiàn)圈的安培匝數決定，線(xiàn)圈中的導線(xiàn)匝數越多，磁場(chǎng)強度越大。

電磁鐵的磁強度

我們現在知道，當兩個(gè)相鄰的導體載流時(shí)，根據電流流動(dòng)的方向建立磁場(chǎng)。這兩個(gè)場(chǎng)的相互作用使得兩個(gè)導體受到機械力。

當電流在同一方向上流動(dòng)（線(xiàn)圈的同一側）時(shí)，兩個(gè)導體之間的場(chǎng)較弱，導致吸引力，如上圖所示。同樣，當電流在相反方向上流動(dòng)時(shí)，它們之間的場(chǎng)變得更強，導體被排斥。

導體周?chē)膱?chǎng)強度與距離成正比，最強的點(diǎn)在導體旁邊，離導體越遠越弱。在單個(gè)直導體的情況下，流動(dòng)的電流和距離是決定場(chǎng)強度的因素。

因此，計算“磁場(chǎng)強度”H（有時(shí)稱(chēng)為“磁化力”）的公式是從通過(guò)它的電流和距離推導出來(lái)的。

電磁鐵的磁場(chǎng)強度

電磁鐵的磁化力

其中：

H – 是磁場(chǎng)強度，單位為安培-匝/米，At/m

N – 是線(xiàn)圈的匝數

I – 是通過(guò)線(xiàn)圈的電流，單位為安培，A

L – 是線(xiàn)圈的長(cháng)度，單位為米，m

總結一下，線(xiàn)圈磁場(chǎng)的強度或強度取決于以下因素。

線(xiàn)圈中導線(xiàn)的匝數。

線(xiàn)圈中流動(dòng)的電流量。

核心材料的類(lèi)型。

電磁鐵的磁場(chǎng)強度還取決于所使用的核心材料類(lèi)型，因為核心的主要目的是將磁通量集中在一個(gè)明確且可預測的路徑中。到目前為止，只考慮了空氣核心（空心）線(xiàn)圈，但在核心（線(xiàn)圈的中心）中引入其他材料對磁場(chǎng)強度有很大的控制作用。

電磁鐵

使用釘子的電磁鐵

如果材料是非磁性的，例如木材，為了計算目的，可以將其視為自由空間，因為它們具有非常低的磁導率值。然而，如果核心材料是由鐵磁材料（如鐵、鎳、鈷或它們的合金混合物）制成的，將會(huì )觀(guān)察到線(xiàn)圈周?chē)拇磐棵芏鹊娘@著(zhù)差異。

鐵磁材料是那些可以被磁化的材料，通常由軟鐵、鋼或各種鎳合金制成。將這種類(lèi)型的材料引入磁路中，具有集中磁通量的效果，使其更集中和密集，并放大線(xiàn)圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

我們可以通過(guò)將一段導線(xiàn)繞在一個(gè)大軟鐵釘上并連接到電池來(lái)證明這一點(diǎn)，如圖所示。這個(gè)簡(jiǎn)單的課堂實(shí)驗允許我們拾取大量的夾子或別針，并且我們可以通過(guò)在線(xiàn)圈上增加更多的匝數來(lái)使電磁鐵更強。這種磁場(chǎng)強度的程度，無(wú)論是通過(guò)空心空氣核心還是通過(guò)將鐵磁材料引入核心，被稱(chēng)為磁導率。

電磁鐵的磁導率

如果在電磁鐵中使用具有相同物理尺寸的不同材料的核心，磁鐵的強度將根據所使用的核心材料而變化。這種磁場(chǎng)強度的變化是由于通過(guò)中心核心的磁通量線(xiàn)的數量。如果磁性材料具有高磁導率，那么磁通量線(xiàn)可以很容易地產(chǎn)生并通過(guò)中心核心，磁導率（μ）是核心被磁化的容易程度的度量。

真空的磁導率的數值常數給出為：μo = 4.π.10-7 H/m，自由空間（真空）的相對磁導率通常給定值為一。這個(gè)值在所有涉及磁導率的計算中用作參考，所有材料都有其特定的磁導率值。

僅使用不同鐵、鋼或合金核心的磁導率的問(wèn)題是，涉及的計算可能變得非常大，因此更方便通過(guò)它們的相對磁導率來(lái)定義材料。

相對磁導率，符號μr是μ（絕對磁導率）和μo自由空間的磁導率的乘積，給出為。

相對磁導率

相對磁導率方程

磁導率略低于自由空間（真空）并且對磁場(chǎng)具有弱負磁化率的材料被稱(chēng)為抗磁性材料，例如：水、銅、銀和金。那些磁導率略高于自由空間并且本身僅被磁場(chǎng)輕微吸引的材料被稱(chēng)為順磁性材料，例如：氣體、鎂和鉭。

電磁鐵示例No1

軟鐵芯的絕對磁導率給出為80毫亨/米（80.10-3）。計算等效的相對磁導率值。

相對磁導率

當鐵磁材料用于核心時(shí)，使用相對磁導率來(lái)定義場(chǎng)強度可以更好地了解所使用的不同類(lèi)型材料的磁場(chǎng)強度。例如，真空和空氣的相對磁導率為一，而鐵芯的相對磁導率約為500，因此我們可以說(shuō)鐵芯的場(chǎng)強度比等效的空心空氣線(xiàn)圈強500倍，這種關(guān)系比0.628×10-3 H/m（500.4.π.10-7）更容易理解。

雖然空氣的磁導率可能只有一，但一些鐵氧體和坡莫合金材料的磁導率可以達到10,000或更多。然而，單個(gè)線(xiàn)圈可以獲得的磁場(chǎng)強度有限，因為隨著(zhù)磁通量的增加，核心會(huì )變得嚴重飽和，這將在下一個(gè)關(guān)于B-H曲線(xiàn)和磁滯的教程中討論。