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、反轉或開關的裝置中。

利用磁路的概念，將電磁鐵的工程設計系統(tǒng)化。在磁路中，磁動勢F或Fm被定義為線圈的安培匝數，線圈產生磁場從而在電路中產生磁通量。因此，如果每米n匝的線圈攜帶電流i安培，線圈內部的磁場是每米ni安培，它產生的磁動勢是零安培匝，其中l(wèi)是線圈的長度。更方便的是，磁動勢是Ni，其中N是線圈中的總匝數。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，電動勢(E)與電路中的電流i的關系是: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的磁導率。磁阻的單位是安培匝數/韋伯。這些概念可以用來計算磁路的磁阻，從而計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，在這種類型的計算中涉及的幾個假設，使它最多只能作為設計的近似指導?？纱沤橘|對磁場的影響可以被看作是把磁力線擠進它自己。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量成正比的通量密度，將因間隙兩側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。

也假定磁場完全局限在線圈內。事實上，總有一定量的漏磁，表現為圍繞在線圈外面的磁力線，它對鐵芯的磁化沒有貢獻。磁芯的磁導率較高時，漏磁一般較小。

在實踐中，磁性材料的磁導率是其磁通密度的函數。因此，只有在實際的磁化曲線，或者更有用的是μ對B的圖是可用的情況下，才能對實際材料進行計算。

最后，設計假設磁芯沒有磁化到飽和。如果是這樣，在這種設計中，無論線圈通過多少電流，磁通密度都不能增加。在接下來關于特定設備的幾節(jié)中，將進一步擴展這些概念。

圖一

螺線管

螺線管通常是一個長線圈，電流通過它流過，建立磁場。更狹義地說，這個名字指的是一種機電裝置，它在通電時產生機械運動。在其最簡單的形式，它由一個鐵框包圍線圈和一個圓柱柱塞在線圈內移動，如圖1所示。對于交流電電源，堅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形狀的薄鐵片組成，并在每個鐵片之間堆疊一層絕緣清漆。當線圈通電時，柱塞通過它和框架之間的磁力吸引移動到線圈中，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大。這是因為初始電流高，因為線圈的電感，是由柱塞和框架之間的空氣間隙降低。當電磁閥關閉時，這個氣隙減小，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。

當電磁閥完全打開時，它有一個很大的氣隙，在給定的磁動勢下，這個氣隙的高磁阻使磁路中的磁通保持較低，柱塞上的力也相應較低。當柱塞關閉時，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，以便用戶可以根據其目的選擇適當的單位。曲線可以通過彈簧加載柱塞進行修改，以便整個沖程提供的力可以與特定的機械負載相匹配。

圖二

繼電器

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

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

圖三

隨著晶體管開關電路的出現，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滿足了這一需求。它由兩個50-50鎳鐵合金的扁平葉片組成，它們之間有一個間隙重疊在一起。當沿著葉片的長度施加磁場時，重疊部分會感應到相反的磁極，它們被吸引在一起，產生電接觸。在去除磁場時，接觸刀片的彈性打開接觸。每個刀片的重疊區(qū)域都鍍上金，以保證良好的電接觸，封閉的玻璃膠囊內充滿干燥的氮氣，以防止腐蝕。操作該器件所需的磁場是重疊量的函數，并且存在與最小操作電流所需對應的最佳重疊。

目前電話設備中使用的簧片開關是由高達50伏的直流電流操作的。通常，簧片閉合時58安培匝，釋放時15安培匝，保持電流為27安培匝。觸點閉合可以在2毫秒內提供穩(wěn)定的觸點電阻，在100微秒內釋放，并且具有超過5000萬次操作的壽命。使用35000轉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，簧片開關可以制成閉鎖繼電器，當激勵場被移除時保持閉合。它們也可以設計為三個葉片，以提供轉換接觸。

大型電磁鐵設計

幾乎每一個科學研究實驗室遲早都會發(fā)現，它需要一種產生大磁場的設備。許多先進技術同樣需要大型電磁鐵。例如，回旋加速器是一種用于科學研究的設備，在該設備中，帶電的亞原子粒子被恒定磁場中的交變電場加速。它使用一個大磁鐵來產生中等強度的磁場，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計原則。困難出現在試圖估計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;典型的實驗室磁體如圖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磁體的2.1韋伯每平方公尺范圍內。

當設計用于起重或承載時，電磁鐵可能需要有一個單獨的暴露極面，以便承載負載，因此電磁鐵將具有條形磁鐵的形狀。然后設計由退磁場主導。經過適當設計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普遍使用。

主應用程序

電磁鐵有各種各樣的用途。下面總結幾個主要應用領域(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。

現代電話系統(tǒng)基于簧片繼電器，以及用于復雜布線的固態(tài)電路。電話接收器基本上是一個帶有u形線圈的電磁鐵，u的每條腿上都繞著線圈。電信號通過線圈時，會引起離u兩端有一小段距離的軟鐵振膜的磁力吸引。振膜的偏轉量與線圈中電流的大小成比例，并在來回移動時產生聲波。磁性材料的改進增加了電話接收器的靈敏度，但基本設計仍未改變。

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

磁場提供了一個強有力的研究工具，沒有它，現代物理學很難發(fā)展到現在的程度。應用的一個主要領域是磁場和帶電亞原子粒子的相互作用。一個移動的帶電荷的粒子，如電子，可以看作是一種電流，并且像帶電流的導線一樣，在磁場中受到一種力。力的方向垂直于粒子的運動方向，也垂直于磁場，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)造合適的磁場來偏轉電子束，磁場可以來自永磁體，也可以來自電磁鐵。每個電視接收器都包含這樣的聚焦和偏轉系統(tǒng)，用電子束掃描電視管的表面。

在科學應用中，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使帶電粒子執(zhí)行圓形路徑。在每一次繞圓周運動時，它們都被加速，最終獲得巨大的動能(運動能量)?；匦铀倨饕恢笔呛搜芯亢头派湫酝凰厣a的重要工具。

同樣的原理也可用于質譜儀的材料分析。在磁場中移動的帶電粒子的實際偏轉是由它的電荷、質量和速度決定的。在質譜儀中，被研究的物質是以被固定電場加速的電離粒子氣體的形式存在的。在通過磁場時，粒子的偏轉量是由它們的質量決定的，前提是它們都攜帶相同的電荷。通過記錄粒子到達固定目標的位置，可以推導出粒子的質量。

電力工業(yè)是以磁場的產生和利用為基礎的。所述電動馬達基于在載流導體上產生的力;這種發(fā)電機是基于在磁場中運動的導體產生感應電流的反向效應。一般來說，在電機和發(fā)電機的磁路中需要高通量密度，這一要求導致使用軟鐵或硅鐵電磁鐵作為它們中的磁場源。然而，隨著現代永磁體材料的出現，由永磁體提供領域的小型直流電動機正在尋找廣泛的應用，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使材料產生永久磁化。感應的磁化強度必須與信號的振幅成正比，并且當信號去除時必須保持在材料中。因此，磁性材料需要具有高磁導率，以便它在小磁場中容易磁化;高剩余磁化強度，使所存儲的信息可輕松“讀取”;而且強制力度不能太高(但也不能太低)，這樣存儲的信息可以毫不費力地被刪除。

最常見的磁記錄器使用磁帶。它以恒定的速度靠近一個記錄磁頭，該磁頭可能由一個u形磁軛組成，每個臂上繞有線圈。由于線圈中的電流根據要記錄的音頻信號而變化，因此在磁帶中感應到不同的磁化強度。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切斷線圈的電線，并在線圈中感應出音頻電流。通過帶高頻信號的記錄磁頭，磁帶可以被擦除，這種高頻信號具有使磁帶消磁的效果。

計算機信息對于磁存儲來說是一種特別簡單的形式，因為它由一系列具有標準振幅的電脈沖組成。這種磁帶的材料要求不像錄音那樣嚴格，重要的特點是磁帶不能自發(fā)消磁。許多計算機已經用在記錄磁頭下旋轉的合金磁碟代替了磁帶存儲。信息可以以比在磁帶中更高的密度存儲(單位面積的比特數)，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。