需要整理一些廢金屬嗎?電磁鐵來救援!在這里，電磁鐵被用來撿起大約 3，500 支被沒收的槍支中的一些要熔化。 大衛(wèi)·麥克紐/蓋蒂圖片社

　　破壞場、搖滾音樂會和你的前門有什么共同點?他們每個人都使用 電 磁鐵，通過施加電力產(chǎn)生磁場的設備。破壞場使用極其強大的電磁鐵將沉重的廢金屬甚至整輛汽車從一個地方移動到另一個地方。您最喜歡的樂隊使用電磁鐵來放大揚聲器發(fā)出的聲音。當有人按你的門鈴時，一個微小的電磁鐵將金屬拍板拉到鈴鐺上。

　　從機械上講，電磁鐵非常簡單。它由一段導電線(通常是銅)組成，纏繞在一塊金屬上。喜歡 弗蘭肯斯坦的怪物，這似乎只不過是一個松散的零件集合，直到 電力 進入畫面。但是，您不必等待暴風雨才能使電磁鐵栩栩如生。從電池或其他電源引入電流，并流過電線。這會在線圈周圍產(chǎn)生磁場，使金屬磁化，就好像它是永磁體一樣。電磁鐵很有用，因為您可以通過分別完成或中斷電路來打開和關閉磁鐵。

　　在我們走得更遠之前，我們應該討論電磁鐵與普通的“永久”有何不同 磁鐵，就像那些拿著你的冰棒藝術放在冰箱里的人一樣。如您所知，磁鐵有兩極，“北”和“南”，并吸引由 鋼、鐵或其某種組合.就像兩極排斥和異性吸引(啊，浪漫與物理的交集)。例如，如果您有兩個條形磁鐵，其兩端標記為“北”和“南”，則一個磁鐵的北端將吸引另一個磁鐵的南端。另一方面，一個磁鐵的北端將排斥另一個磁鐵的北端(同樣，南方將排斥南端)。電磁鐵也是一樣，只是它是“暫時的” ——磁場只在電流流動時存在。

　　門鈴是一個很好的例子，說明電磁鐵如何用于永磁體沒有任何意義的應用中。當客人按下前門上的按鈕時，門鈴內的電子電路會關閉一個電氣回路，這意味著電路完成并“打開”。 閉合電路允許電流流動，產(chǎn)生磁場并導致拍板被磁化。大多數(shù)傳統(tǒng)門鈴的硬件由金屬鈴和金屬拍板組成，當磁力使它們叮當響時，您會聽到里面的鈴聲。鈴聲響起，客人松開按鈕，電路打開，門鈴停止地獄般的鈴聲。這種按需磁性使電磁鐵如此有用。

　　在本文中，我們將仔細研究電磁鐵，并發(fā)現(xiàn)這些設備如何采用一些非?？岬目茖W并將其應用于我們周圍的小玩意，使我們的生活更輕松。

　　電磁鐵的歷史

　　英國物理學家和化學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)在1830年左右使用的大型馬蹄形電磁鐵。

　　斯金格/霍頓檔案/ 蓋蒂圖片社兩者之間的關系 電力 和 磁性 直到1873年物理學家才被徹底研究。 詹姆斯·麥克斯韋 觀察到正電荷和負電荷之間的相互作用[來源： 馬洪].通過不斷的實驗，麥克斯韋確定這些電荷根據(jù)它們的方向相互吸引或排斥。他也是第一個發(fā)現(xiàn)磁鐵有極點或電荷聚焦的單個點的人。而且，對于電磁學很重要，麥克斯韋觀察到，當電流通過導線時，它會在導線周圍產(chǎn)生磁場。

　　麥克斯韋的工作負責許多科學原理的工作，但他并不是第一個用電和磁進行實驗的科學家。近50年前，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特德(Hans Christian Oersted)發(fā)現(xiàn)，當他實驗室中的電池打開和關閉時，他正在使用的指南針會發(fā)生反應[來源： 格雷戈里].只有當存在磁場干擾指南針時，才會發(fā)生這種情況，因此他推斷磁場是由電池流出的電流產(chǎn)生的。但奧斯特被化學領域所吸引，把電學和磁學的研究留給了其他人[來源： 馬洪].

　　電磁學的鼻祖是 邁克爾·法拉第(邁克爾·法拉第)，一位化學家和物理學家，他構建了許多后來由麥克斯韋建立的理論。一個原因 法拉第 在歷史上比麥克斯韋或奧斯特德更突出，可能是因為他是一位多產(chǎn)的研究者和發(fā)明家。他被廣泛譽為電磁學的先驅，但他也因發(fā)現(xiàn)電磁感應而受到贊譽，我們將在稍后探索一些實際應用時討論。法拉第還發(fā)明了 電動機，除了他在物理學方面有影響力的工作外，他還是第一個被任命為英國皇家學院富勒化學教授這一享有盛譽的人。不算太寒酸。

　　那么這些人的工作發(fā)現(xiàn)了什么呢?在下一節(jié)中，我們將了解電磁鐵的工作原理。

　　電磁鐵的粘附力

　　這張圖顯示了一個簡單的電磁鐵。

　　如何工作正如我們在介紹中提到的，基本的電磁鐵并不是那么復雜;您可以 構造一個簡單的 你自己使用你可能躺在房子周圍的材料。導電線，通常是絕緣銅，纏繞在金屬棒上。電線摸起來會變熱，這就是為什么絕緣很重要的原因。纏繞電線的桿稱為 螺線管，產(chǎn)生的磁場從該點輻射出去。磁鐵的強度與線圈繞在桿上的次數(shù)直接相關。為了獲得更強的磁場，電線應纏繞得更緊密。

　　好吧，還有更多的東西。導線纏繞在桿或芯上越緊，電流在其周圍形成的環(huán)路就越多，從而增加磁場的強度。除了電線纏繞的緊密程度外，用于芯材的材料還可以控制 磁鐵.例如，鐵是 強磁性 金屬，這意味著它是高度滲透的[來源： 波士頓大學]. 滲透性 是描述材料支撐磁場的另一種方式。某種材料對磁場的導電性越強，其磁導率就越高。

　　所有事項，包括 鐵 電磁鐵棒，由 原子.在螺線管通電之前，金屬芯中的原子是隨機排列的，不指向任何特定方向。當引入電流時，磁場穿透棒并重新排列原子。隨著這些原子的運動，并且都朝同一個方向運動，磁場就會增長。原子的排列，磁化原子的小區(qū)域稱為 域，隨著電流水平的增加和減少，因此通過控制電流，可以控制磁鐵的強度。當所有域都對齊時，就會出現(xiàn)飽和點，這意味著增加額外的電流不會導致磁性增加。

　　通過控制電流，您基本上可以打開和關閉磁鐵。當電流關閉時，原子恢復到其自然的隨機狀態(tài)，棒失去磁性(從技術上講，它保留了一些磁性，但不多，而且持續(xù)時間不長)。

　　使用普通的永磁體，就像那些將家里的狗的照片放在冰箱上的永磁體一樣，原子總是對齊的，磁鐵的強度是恒定的。您知道可以通過掉落永磁體來消除它的粘附力嗎?撞擊實際上會導致原子偏離排列。它們可以通過在其上摩擦磁鐵再次被磁化。

　　這 電力 為電磁鐵供電必須來自某個地方，對吧?在下一節(jié)中，我們將探討這些磁鐵獲得汁液的一些方式。

　　將“電”放入“電磁鐵”

　　這是基本電磁鐵中的磁場外觀。

　　既然電磁鐵需要電流，那么它從何而來?快速的答案是，任何產(chǎn)生電流的東西都可以為電磁鐵供電。從小AA 電池 用于您的電視遙控器到大型工業(yè)發(fā)電站，這些發(fā)電站拉動 電力 直接從 網(wǎng) 格，如果它存儲和轉移電子，那么它可以為電磁鐵供電。

　　讓我們先來看看家用電池是如何工作的。大多數(shù)電池有兩個易于識別的極，正極和負極。當不使用電池時，電子聚集在負極。當電池插入設備時，兩極與設備中的傳感器接觸，閉合電路并允許電子在兩極之間自由流動。對于遙控器，該設備設計有 負荷或出口點，用于存儲在電池中的能量 [來源： 格羅斯曼].負載將能量用于操作遙控器。如果您只是在沒有負載的情況下將電線直接連接到電池的每一端，能量會迅速從電池中耗盡。

　　當這種情況發(fā)生時，移動的電子也會產(chǎn)生磁場。如果您將電池從遙控器中取出，它可能會保留少量磁電荷。你不能用遙控器取車，但也許一些小 鐵 銼刀甚至回形針。

　　光譜的另一端是地球本身。根據(jù)我們之前討論的定義，當電流流過某個鐵磁芯時，就會產(chǎn)生電磁鐵。地球的核心是鐵，我們知道它有一個北極和一個南極。這些不僅僅是地理名稱，而是實際相反的磁極。 發(fā)電機效應，由于液態(tài)鐵在鐵芯上的運動，這種現(xiàn)象會在鐵中產(chǎn)生大量電流，從而產(chǎn)生電流。這種電流產(chǎn)生磁荷，這是自然的 磁性 地球是指南針工作的原因。指南針總是指向北方，因為金屬針被北極的拉力所吸引。

　　顯然，在小型自制科學實驗和地球本身之間有廣泛的電磁鐵應用。那么，這些設備在現(xiàn)實世界中的哪個位置彈出?在下一節(jié)中，我們將看看我們的日常生活是如何受到電磁學的影響的。

　　我們身邊的電磁鐵

　　大型強子對撞機(LHC)中的電磁鐵形狀像一個巨大的下顎。它由兩個 27 噸(24 公噸)線圈組成，安裝在 1，450 噸(1，315 公噸)后膛中。 弗朗西斯·德曼格/蓋蒂圖片社

　　許多電磁鐵比永磁體具有優(yōu)勢，因為它們可以很容易地打開和關閉，并且增加或減少 電力 圍繞核心流動可以控制它們的力量。

　　現(xiàn)代技術嚴重依賴電磁鐵來使用磁記錄設備存儲信息。將數(shù)據(jù)保存到傳統(tǒng) 電腦硬盤，例如，微小的磁化金屬片以特定于保存信息的模式嵌入到磁盤上。這些數(shù)據(jù)最初是作為二進制數(shù)字計算機語言(0和1)開始的。檢索此信息時，模式將轉換為原始二進制模式并轉換為可用形式。那么是什么使它成為電磁鐵呢?流經(jīng)計算機電路的電流磁化了這些微小的金屬碎片。這與錄音機中使用的原理相同， 錄像機 和其他基于磁帶的介質(是的，你們中的一些人仍然擁有磁帶卡座和錄像機)。這就是為什么 磁鐵 有時會對這些設備的記憶造成嚴重破壞。

　　如果您為手機或平板電腦無線充電，您可以每天使用電磁學。充電板產(chǎn)生磁場。您的手機有一個與充電器同步的天線， 允許電流流動.正如您可能想象的那樣，此類設備內部的電磁線圈很小，但較大的線圈可以為電動汽車等較大的設備充電。

　　電磁鐵也為真正利用電力的潛力鋪平了道路。在電器中，電機移動是因為從墻上插座流出的電流會產(chǎn)生磁場。為電機供電的不是電力本身，而是磁鐵產(chǎn)生的電荷。磁鐵的力產(chǎn)生旋轉運動，這意味著它們圍繞固定點旋轉，類似于輪胎繞軸旋轉的方式。

　　那么，為什么不跳過此過程，只使用插座為電源供電 發(fā)動機 首先?因為為設備供電所需的電流非常大。你有沒有注意到打開電視或洗衣機等大型電器有時會導致你家里的燈閃爍?這是因為設備最初會消耗大量能量，但只有啟動電機時才需要大量能量。一旦發(fā)生這種情況，這個循環(huán) 電磁感應 接管。

　　從家用電器，我們正在轉向一些有史以來最復雜的機械，看看電磁鐵是如何被用來解開宇宙起源的。粒子加速器是以令人難以置信的高速推動帶電粒子相互撞擊的機器，以觀察它們碰撞時會發(fā)生什么。這些亞原子粒子束非常精確，控制它們的軌跡至關重要，這樣它們就不會偏離軌道并損壞機器。這就是電磁鐵的用武之地。磁鐵沿著碰撞光束的路徑定位，它們的磁性實際上被用來控制它們的速度和軌跡[來源： 諾瓦教師].

　　對于我們的朋友電磁鐵來說，簡歷還不錯，是吧?從您可以在車庫中創(chuàng)建的東西到操作科學家和工程師用來破譯的工具 宇宙的起源，電磁鐵在我們周圍的世界中起著非常重要的作用。

　　準備好嘗試自己的電磁實驗了嗎?繼續(xù)閱讀一些有趣的想法。

　　DIY電磁鐵和實驗嘗試

　　電磁鐵很容易制造;只需幾件硬件和一個電源即可讓您上路。首先，您需要以下項目：

　　一 鐵 指甲，長度至少為 6 英寸(15 厘米)

　　長度為 22 號的絕緣銅線

　　一個 D 電池

　　獲得這些物品后，請從銅線的每一端取下絕緣層，剛好足以提供與電池的良好連接。將鐵絲纏繞在釘子上;你能把它包裹得越緊，磁場就會越強大。最后，連接 電池 通過將電線的一端連接到正極端子，一端連接到負極端子(電線的哪一端與哪個端子配對并不重要)。普雷斯托!工作電磁鐵 [來源： 杰斐遜實驗室].

　　動手電磁實驗還不夠?我們還有一些想法供您嘗試：

　　什么是 磁 纏繞在釘子上的單個線圈的功率? 10 圈電線?100圈?嘗試不同的轉彎數(shù)，看看會發(fā)生什么。測量和比較磁鐵“強度”的一種方法是查看它可以拾取多少訂書釘。

　　磁鐵的鐵芯和鋁芯有什么區(qū)別? 例如，將一些鋁箔卷緊，并將其用作磁鐵的核心，代替釘子。會發(fā)生什么?如果您使用塑料芯，例如筆怎么辦?

　　螺線管呢? 電磁鐵是電磁鐵的另一種形式。它是一種電磁管，通常用于線性移動一塊金屬。找一根吸管或一支舊筆(取下墨管)。還要找到一個小釘子(或拉直的回形針)，很容易在管內滑動。在管子周圍纏繞 100 圈電線。將釘子或回形針放在線圈的一端，然后將線圈連接到電池。注意到指甲是如何移動的嗎?螺線管用于各種地方，尤其是鎖。如果你的 汽車有電動鎖，它們可以使用電磁閥操作。使用螺線管的另一個常見做法是用薄的圓柱形永磁體代替釘子。然后，您可以通過改變螺線管中磁場的方向來移入和移出磁鐵。(如果您嘗試在電磁閥中放置磁鐵，請小心，因為磁鐵可能會射出。

　　我怎么知道真的有磁場? 您可以使用鐵屑查看電線的磁場。購買一些鐵屑或通過在操場或沙灘上運行磁鐵來找到自己的鐵屑。在一張紙上輕輕撒上銼刀，然后將紙放在磁鐵上。輕輕敲擊紙張，銼刀將與磁場對齊，讓您看到它的形狀!

　　電磁鐵常見問題

　　電磁鐵是如何制造的?

　　你可以自己制作一個簡單的電磁鐵，使用你可能坐在房子周圍的材料。導電線，通常是絕緣銅，纏繞在金屬棒上。電線摸起來會變熱，這就是為什么絕緣很重要的原因。纏繞電線的桿稱為螺線管，產(chǎn)生的磁場從該點輻射出去。磁鐵的強度與線圈繞在桿上的次數(shù)直接相關。為了獲得更強的磁場，電線應纏繞得更緊密。

　　什么是電磁鐵，它是如何工作的?

　　電磁鐵通過應用電力產(chǎn)生磁場。當您引入來自電池或其他電源的電流時，它會流過電線。這會在線圈周圍產(chǎn)生磁場，使金屬磁化，就好像它是永磁體一樣。電磁鐵很有用，因為您可以通過分別完成或中斷電路來打開和關閉磁鐵。

　　電磁鐵的主要特點是什么?

　　一個關鍵特征是電磁鐵具有磁場，但僅在電流流動時。它們用于常規(guī)磁鐵沒有任何意義的情況。