电磁铁物理

比较永久条形磁体和电磁体的优点和缺点。

2025-03-15 07:37:51

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回答1：

电体

通常我们只听说过永磁体，极少听到永电体。自然界中有永久磁铁（永磁铁）。钢块经过人为磁化后，也可变成永久磁铁，只要不受热或打击，它的磁性就会长期保留下来。永久磁铁有着十分广泛的应用。人们很自然地联想到，有没有永久带电的永电体呢？100多年以前，法拉第就确信有这种物质，不过当时没有找到。1919年，日本科学家制造出了第一块永电体，在博物馆里放了45年后，经测量，它带的电荷量只减少了约1／5。永电体是什么样呢？最早制造的永电体是像蜡一样的物体。他们把熔化了的蜂蜡、树脂等不导电的物质放在电容器（两块金属板，中间用空气隔离开，就构成一个电容器）中，加上强电场（使电容器的两块金属板分别带上止负电荷，两极间就产生从正极到负极的电场），不导电的蜂蜡、树脂与电场垂直的两表面就分别带上了正负电荷。让它们在电场中冷却，这样即使离开电场以后。它表面的电荷也会长期保持下来，即成为永电体。由于所带的电荷可以长久“驻扎”在它的表面，所以人们又称这种永电体为驻极体。驻极体与永磁体有许多类似的性质。例如，把一根条形磁铁折成两段，每段仍具有南北两极；若把驻极体分割开来，则每一部分的表面也都出现正负电荷。要长期保存永久磁铁的磁性，应当用一块软铁把它的两个磁极连接起来，使磁路闭合；要想把驻极体的电荷保持得更良久，也要用一根导线把两极连接起来。

内部带有铁芯的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁(electromagnet)。通常制成条形或蹄形。铁芯要用容易磁化，又容易消失磁性的软铁或硅钢来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后就随之消失。当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。
[编辑本段]优点
电磁铁有许多优点：电磁铁磁性的有无可以用通、断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制；也可改变电阻控制电流大小来控制磁性大小；它的磁极可以由改变电流的方向来控制，等等。即：磁性的强弱可以改变、磁性的有无可以控制、磁极的方向可以改变。
[编辑本段]应用
电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等。电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：（1）牵引电磁铁——主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。（2）起重电磁铁——用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。（3）制动电磁铁——主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。（4）自动电器的电磁系统——如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。（5）其他用途的电磁铁——如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。
[编辑本段]电磁铁的历史
1822年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1823年，斯特金也做了一次类似的实验：他在一根并非是磁铁棒的U型铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与伏打电池接通时，绕在U型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使U型铁棒变成了一块“电磁铁”。这种电磁铁上的磁能要比永磁能大放多倍，它能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，U型铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。斯特金的电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来。 1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，绝缘导线代替裸铜导线，因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸起1吨重的铁块。电磁铁的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。
[编辑本段]电磁铁磁场方向的判断
电磁铁的磁场方向可以用安培定则来判断。安培定则是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫右手螺旋定则。 (1)通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向就是磁感线的环绕方向,那么四指的指向就是电流的方向。 (2)通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极性质直线电流的安培定则对一小段直线电流也适用。环形电流可看成许多小段直线电流组成，对每一小段直线电流用直线电流的安培定则判定出环形电流中心轴线上磁感强度的方向。叠加起来就得到环形电流中心轴线上磁感线的方向。直线电流的安培定则是基本的，环形电流的安培定则可由直线电流的安培定则导出直线电流的安培定则对电荷作直线运动产生的磁场也适用，这时电流方向与正电荷运动方向相同，与负电荷运动方向相反。历史在奥斯特电流磁效应实验及其他一系列实验的启发下，安培认识到磁现象的本质是电流，把涉及电流、磁体的各种相互作用归结为电流之间的相互作用，提出了寻找电流元相互作用规律的基本问题。为了克服孤立电流元无法直接测量的困难，安培精心设计了4个示零实验并伴以缜密的理论分析，得出了结果。但由于安培对电磁作用持超距作用观念，曾在理论分析中强加了两电流元之间作用力沿连线的假设，期望遵守牛顿第三定律，使结论有误。上述公式是抛弃错误的作用力沿连线的假设，经修正后的结果。应按近距作用观点理解为，电流元产生磁场，磁场对其中的另一电流元施以作用力。意义安培定律与库仑定律相当，是磁作用的基本实验定律，它决定了磁场的性质，提供了计算电流相互作用的途径。安培力公式电流元I1dι 对相距γ12的另一电流元I2dι 的作用力df12为： μ0 I1I2dι2 × (dι1 × γ12) df12 = —— ——————————— 4π γ123 式中dι1、dι2的方向都是电流的方向；γ12是从I1dι 指向I2dι 的径矢。安培定律可分为两部分。其一是电流元Idι（即上述I1dι ）在γ（即上述γ12）处产生的磁场为 μ0 Idι × γ dB = —— ————— 4π γ3 这是毕-萨-拉定律。其二是电流元Idl（即上述I2dι2）在磁场B中受到的作用力df（即上述df12）为： df = Idι × B