電磁鐵

由由線圈包圍的磁性材料的磁芯組成的裝置，電流通過線圈使磁芯磁化。電磁鐵用于需要可控磁體的地方，如在磁通量變化、反轉(zhuǎn)或開關(guān)的裝置中。

利用磁路的概念，將電磁鐵的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)化。在磁路中，磁動(dòng)勢(shì)F或Fm被定義為線圈的安培匝數(shù)，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)從而在電路中產(chǎn)生磁通量。因此，如果每米n匝的線圈攜帶電流i安培，線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)是每米ni安培，它產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是零安培匝，其中l(wèi)是線圈的長度。更方便的是，磁動(dòng)勢(shì)是Ni，其中N是線圈中的總匝數(shù)。磁路中的磁通量密度B與電路中的電流密度B是等效的。在磁路中，與電流等效的磁場(chǎng)是總通量，用希臘字母phi表示，?，由BA給出，其中A是磁路的橫截面積。在電路中，電動(dòng)勢(shì)(E)與電路中的電流i的關(guān)系是:E=Ri，其中R是電路的電阻。在磁路中F=r?，其中r為磁路的磁阻，等效于電路中的電阻。磁阻是磁路長度l除以磁導(dǎo)率乘以橫截面積A得到的;因此，r=l/μa，即希臘字母mu，μ，表示形成磁路的介質(zhì)的磁導(dǎo)率。磁阻的單位是安培匝數(shù)/韋伯。這些概念可以用來計(jì)算磁路的磁阻，從而計(jì)算通過線圈所需要的電流，以迫使所需的磁通通過該電路。

然而，在這種類型的計(jì)算中涉及的幾個(gè)假設(shè)，使它最多只能作為設(shè)計(jì)的近似指導(dǎo)。可磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響可以被看作是把磁力線擠進(jìn)它自己。相反，從高滲透性區(qū)域傳遞到低滲透性區(qū)域的力線傾向于散開，這種情況將發(fā)生在氣隙。因此，與單位面積上力線數(shù)量成正比的通量密度，將因間隙兩側(cè)的力線凸起或邊緣而在氣隙中減少。間隔越長，這種效果越明顯;粗略的修正可以考慮到邊緣效應(yīng)。

也假定磁場(chǎng)完全局限在線圈內(nèi)。事實(shí)上，總有一定量的漏磁，表現(xiàn)為圍繞在線圈外面的磁力線，它對(duì)鐵芯的磁化沒有貢獻(xiàn)。磁芯的磁導(dǎo)率較高時(shí)，漏磁一般較小。

在實(shí)踐中，磁性材料的磁導(dǎo)率是其磁通密度的函數(shù)。因此，只有在實(shí)際的磁化曲線，或者更有用的是μ對(duì)B的圖是可用的情況下，才能對(duì)實(shí)際材料進(jìn)行計(jì)算。

最后，設(shè)計(jì)假設(shè)磁芯沒有磁化到飽和。如果是這樣，在這種設(shè)計(jì)中，無論線圈通過多少電流，磁通密度都不能增加。在接下來關(guān)于特定設(shè)備的幾節(jié)中，將進(jìn)一步擴(kuò)展這些概念。

圖一

螺線管

螺線管通常是一個(gè)長線圈，電流通過它流過，建立磁場(chǎng)。更狹義地說，這個(gè)名字指的是一種機(jī)電裝置，它在通電時(shí)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在其最簡(jiǎn)單的形式，它由一個(gè)鐵框包圍線圈和一個(gè)圓柱柱塞在線圈內(nèi)移動(dòng)，如圖1所示。對(duì)于交流電電源，堅(jiān)固框架中的鐵損耗限制了效率，采用了疊層框架，疊層框架由一堆切割成適當(dāng)形狀的薄鐵片組成，并在每個(gè)鐵片之間堆疊一層絕緣清漆。當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞通過它和框架之間的磁力吸引移動(dòng)到線圈中，直到它與框架接觸。

交流螺線管往往在完全開啟的位置比直流電單元更強(qiáng)大。這是因?yàn)槌跏茧娏鞲撸驗(yàn)榫€圈的電感，是由柱塞和框架之間的空氣間隙降低。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，這個(gè)氣隙減小，線圈的電感增加，通過它的交流電下降。如果交流螺線管在開路位置，線圈很可能燒壞。

當(dāng)電磁閥完全打開時(shí)，它有一個(gè)很大的氣隙，在給定的磁動(dòng)勢(shì)下，這個(gè)氣隙的高磁阻使磁路中的磁通保持較低，柱塞上的力也相應(yīng)較低。當(dāng)柱塞關(guān)閉時(shí)，磁阻下降，磁通增加，因此力逐漸增加。螺線管的制造商提供力-行程曲線，以便用戶可以根據(jù)其目的選擇適當(dāng)?shù)膯挝?。曲線可以通過彈簧加載柱塞進(jìn)行修改，以便整個(gè)沖程提供的力可以與特定的機(jī)械負(fù)載相匹配。

圖二

繼電器

繼電器是一種應(yīng)用電磁原理來打開和關(guān)閉光電流電路的裝置。應(yīng)用于大電流電路中的相同裝置被稱為接觸器或斷路器。

由于所需的機(jī)械移動(dòng)量一般較小，電磁柱塞通常是靜止的，部分機(jī)座鉸接以給予必要的運(yùn)動(dòng)。這種安排如圖2所示。當(dāng)線圈通電時(shí)，框架的鉸接部分被線圈中的固體鐵芯所吸引;這種吸引力將聯(lián)系人推到了一起。當(dāng)通電電流被移開時(shí)，鉸鏈部分被觸點(diǎn)的彈性強(qiáng)迫回到開啟位置。

圖三

隨著晶體管開關(guān)電路的出現(xiàn)，它使用的功率非常低，需要一種可靠地工作在功率為100到300毫瓦的繼電器，而傳統(tǒng)繼電器的功率為4毫瓦。圖3所示的簧片繼電器或簧片開關(guān)滿足了這一需求。它由兩個(gè)50-50鎳鐵合金的扁平葉片組成，它們之間有一個(gè)間隙重疊在一起。當(dāng)沿著葉片的長度施加磁場(chǎng)時(shí)，重疊部分會(huì)感應(yīng)到相反的磁極，它們被吸引在一起，產(chǎn)生電接觸。在去除磁場(chǎng)時(shí)，接觸刀片的彈性打開接觸。每個(gè)刀片的重疊區(qū)域都鍍上金，以保證良好的電接觸，封閉的玻璃膠囊內(nèi)充滿干燥的氮?dú)?，以防止腐蝕。操作該器件所需的磁場(chǎng)是重疊量的函數(shù)，并且存在與最小操作電流所需對(duì)應(yīng)的最佳重疊。

目前電話設(shè)備中使用的簧片開關(guān)是由高達(dá)50伏的直流電流操作的。通常，簧片閉合時(shí)58安培匝，釋放時(shí)15安培匝，保持電流為27安培匝。觸點(diǎn)閉合可以在2毫秒內(nèi)提供穩(wěn)定的觸點(diǎn)電阻，在100微秒內(nèi)釋放，并且具有超過5000萬次操作的壽命。使用35000轉(zhuǎn)線圈線圈電阻通常是18,600歐姆，因此在50伏的電流是2.7毫安。最小工作條件僅需要1.7毫安，因此該繼電器可以在較低的電壓下工作。

通過使用小型的外部永磁體，簧片開關(guān)可以制成閉鎖繼電器，當(dāng)激勵(lì)場(chǎng)被移除時(shí)保持閉合。它們也可以設(shè)計(jì)為三個(gè)葉片，以提供轉(zhuǎn)換接觸。

大型電磁鐵設(shè)計(jì)

幾乎每一個(gè)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室遲早都會(huì)發(fā)現(xiàn)，它需要一種產(chǎn)生大磁場(chǎng)的設(shè)備。許多先進(jìn)技術(shù)同樣需要大型電磁鐵。例如，回旋加速器是一種用于科學(xué)研究的設(shè)備，在該設(shè)備中，帶電的亞原子粒子被恒定磁場(chǎng)中的交變電場(chǎng)加速。它使用一個(gè)大磁鐵來產(chǎn)生中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)，但磁極直徑可能有幾米。一些工業(yè)使用巨大的、高功率的電磁鐵來提升物體。

圖四

前面討論了大型電磁鐵的基本設(shè)計(jì)原則。困難出現(xiàn)在試圖估計(jì)跨越氣隙的邊緣通量和線圈周圍的泄漏通量的大小。通過使用錐形的核心和極帽，它們的影響被最小化;典型的實(shí)驗(yàn)室磁體如圖4所示。由于軟鐵在2.16韋伯每平方公尺飽和，空氣間隙中的磁通密度一般限制在鐵質(zhì)磁體的2.1韋伯每平方公尺范圍內(nèi)。

當(dāng)設(shè)計(jì)用于起重或承載時(shí)，電磁鐵可能需要有一個(gè)單獨(dú)的暴露極面，以便承載負(fù)載，因此電磁鐵將具有條形磁鐵的形狀。然后設(shè)計(jì)由退磁場(chǎng)主導(dǎo)。經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)的磁鐵可以舉起自身重量的許多倍，在煉鋼廠和廢品處理場(chǎng)普遍使用。

主應(yīng)用程序

電磁鐵有各種各樣的用途。下面總結(jié)幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域(通信、研究、電氣工業(yè)和磁記錄)中一些重要器件的工作原理。

現(xiàn)代電話系統(tǒng)基于簧片繼電器，以及用于復(fù)雜布線的固態(tài)電路。電話接收器基本上是一個(gè)帶有u形線圈的電磁鐵，u的每條腿上都繞著線圈。電信號(hào)通過線圈時(shí)，會(huì)引起離u兩端有一小段距離的軟鐵振膜的磁力吸引。振膜的偏轉(zhuǎn)量與線圈中電流的大小成比例，并在來回移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生聲波。磁性材料的改進(jìn)增加了電話接收器的靈敏度，但基本設(shè)計(jì)仍未改變。

揚(yáng)聲器的功能與電話聽筒的耳機(jī)相同，但需要排開更大體積的空氣。膜片包括一個(gè)大面積的柔性錐，在其頂端的一個(gè)小環(huán)上攜帶一圈細(xì)金屬絲。這個(gè)環(huán)位于一個(gè)強(qiáng)大的圓柱狀永久磁鐵的兩極之間。音頻電流通過線圈導(dǎo)致隔膜偏轉(zhuǎn)，如在耳機(jī)中。由于永磁體材料的改進(jìn)，現(xiàn)代揚(yáng)聲器比以前的揚(yáng)聲器更加靈敏和高效。間隙內(nèi)的通量密度越大，繁殖的敏感性和保真度就越高;現(xiàn)代揚(yáng)聲器使用的磁通密度高達(dá)每平方公尺一韋伯。通常使用合金磁體。

磁場(chǎng)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的研究工具，沒有它，現(xiàn)代物理學(xué)很難發(fā)展到現(xiàn)在的程度。應(yīng)用的一個(gè)主要領(lǐng)域是磁場(chǎng)和帶電亞原子粒子的相互作用。一個(gè)移動(dòng)的帶電荷的粒子，如電子，可以看作是一種電流，并且像帶電流的導(dǎo)線一樣，在磁場(chǎng)中受到一種力。力的方向垂直于粒子的運(yùn)動(dòng)方向，也垂直于磁場(chǎng)，因此粒子偏離了原來的路徑。這一原理可以用來將電子流聚焦成一束窄電子束，并通過創(chuàng)造合適的磁場(chǎng)來偏轉(zhuǎn)電子束，磁場(chǎng)可以來自永磁體，也可以來自電磁鐵。每個(gè)電視接收器都包含這樣的聚焦和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，用電子束掃描電視管的表面。

在科學(xué)應(yīng)用中，同樣的原理也用于電子顯微鏡，在電子顯微鏡中，電子束通過一系列磁性“透鏡”，就像在傳統(tǒng)顯微鏡中光通過玻璃透鏡一樣。

如上所述，回旋加速器利用磁場(chǎng)使帶電粒子執(zhí)行圓形路徑。在每一次繞圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們都被加速，最終獲得巨大的動(dòng)能(運(yùn)動(dòng)能量)。回旋加速器一直是核研究和放射性同位素生產(chǎn)的重要工具。

同樣的原理也可用于質(zhì)譜儀的材料分析。在磁場(chǎng)中移動(dòng)的帶電粒子的實(shí)際偏轉(zhuǎn)是由它的電荷、質(zhì)量和速度決定的。在質(zhì)譜儀中，被研究的物質(zhì)是以被固定電場(chǎng)加速的電離粒子氣體的形式存在的。在通過磁場(chǎng)時(shí)，粒子的偏轉(zhuǎn)量是由它們的質(zhì)量決定的，前提是它們都攜帶相同的電荷。通過記錄粒子到達(dá)固定目標(biāo)的位置，可以推導(dǎo)出粒子的質(zhì)量。

電力工業(yè)是以磁場(chǎng)的產(chǎn)生和利用為基礎(chǔ)的。所述電動(dòng)馬達(dá)基于在載流導(dǎo)體上產(chǎn)生的力;這種發(fā)電機(jī)是基于在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流的反向效應(yīng)。一般來說，在電機(jī)和發(fā)電機(jī)的磁路中需要高通量密度，這一要求導(dǎo)致使用軟鐵或硅鐵電磁鐵作為它們中的磁場(chǎng)源。然而，隨著現(xiàn)代永磁體材料的出現(xiàn)，由永磁體提供領(lǐng)域的小型直流電動(dòng)機(jī)正在尋找廣泛的應(yīng)用，特別是在玩具行業(yè)(見magnet)。

磁記錄的原理是通過要記錄的信號(hào)使材料產(chǎn)生永久磁化。感應(yīng)的磁化強(qiáng)度必須與信號(hào)的振幅成正比，并且當(dāng)信號(hào)去除時(shí)必須保持在材料中。因此，磁性材料需要具有高磁導(dǎo)率，以便它在小磁場(chǎng)中容易磁化;高剩余磁化強(qiáng)度，使所存儲(chǔ)的信息可輕松“讀取”;而且強(qiáng)制力度不能太高(但也不能太低)，這樣存儲(chǔ)的信息可以毫不費(fèi)力地被刪除。

最常見的磁記錄器使用磁帶。它以恒定的速度靠近一個(gè)記錄磁頭，該磁頭可能由一個(gè)u形磁軛組成，每個(gè)臂上繞有線圈。由于線圈中的電流根據(jù)要記錄的音頻信號(hào)而變化，因此在磁帶中感應(yīng)到不同的磁化強(qiáng)度。為了回放記錄的信息，磁帶通過線圈或靠近線圈，這樣磁帶的磁通量就會(huì)切斷線圈的電線，并在線圈中感應(yīng)出音頻電流。通過帶高頻信號(hào)的記錄磁頭，磁帶可以被擦除，這種高頻信號(hào)具有使磁帶消磁的效果。

計(jì)算機(jī)信息對(duì)于磁存儲(chǔ)來說是一種特別簡(jiǎn)單的形式，因?yàn)樗梢幌盗芯哂袠?biāo)準(zhǔn)振幅的電脈沖組成。這種磁帶的材料要求不像錄音那樣嚴(yán)格，重要的特點(diǎn)是磁帶不能自發(fā)消磁。許多計(jì)算機(jī)已經(jīng)用在記錄磁頭下旋轉(zhuǎn)的合金磁碟代替了磁帶存儲(chǔ)。信息可以以比在磁帶中更高的密度存儲(chǔ)(單位面積的比特?cái)?shù))，并且通過在磁盤上沿徑向遍歷讀取頭，可以使存取信息的速度更快。