电磁铁的应用十篇

电磁铁的应用篇1

一、激情引趣，设计悬念

科学课程标准中指出：儿童天生的好奇心是科学学习的起点，他们对事物的好奇心，只要善加引导就能转化成求知欲和学习行为。因此，本课开始我创设了小军送生日礼物“跳舞的小熊”给林林的情境，一开场自制教具就上场，小熊在跳舞。成功引起学生发出疑惑后引导猜测“小熊怎么会跳舞的？”学生猜测后拿掉小熊脚下的活动舞台，让学生观察整个作品的结构。发现原来舞台的下面有一块电磁铁，小熊的脚下有一块铁片。小熊跳舞的奥秘在于电磁铁通电后产生了磁性，将小熊脚下的铁片吸住。电源断开后，磁性消失，铁片和电磁铁松开，一吸一松时，小熊就跳起了舞。

二、合理假设，科学验证

1.当学生看得津津有味时，我趁热打铁，提出“小军认为小熊的舞跳得不够有激情，你能帮帮他吗？”，学生开始热烈讨论，在大部分学生都认为电磁铁的磁性越强，小熊跳的幅度越大就越有激情时，我又问：“猜猜看，怎样让电磁铁的磁性变强呢？” ？并让学生将增强电磁铁磁性的猜测记录在实验单上。为了帮助学生做出科学的假设，我提醒学生要从电磁铁的磁性是怎样产生的这方面来猜想，以确保学生的科学探究朝着更有效的方向进行。

2.自己的猜想是否正确呢？接着验证开始。学生小组实验，验证自己的猜想。实验之前，我要求学生先检查一下自己小组的实验材料，根据材料讨论验证方法和注意事项，在小组长的分工下有序、有效进行实验。养成良好的实验习惯。在实验过程中，我强调：探究猜想时，要注意只能改变一个变量，其他条件不变，才能得出正确的结论。并在验证过程中进行适时的提示和指导，提高学生探究活动的科学性和实效性，以确保活动的顺利进行。

3.小组汇报，得出结论

不改变其他条件时，两节电池的电磁铁的小铁片比一节电池的磁性强。

不改变其他条件时，圈数绕得多的比圈数少的电磁铁的磁性强。

在汇报时，我让学生大胆表述出实验中的发现。自己通过实验获取的知识，不仅会让孩子提高科学探究能力，还会增强他们的自信心，从而促进孩子们良好的科学素养的形成。

4.在学生探究的基础上教师总结：

通过实验，我们知道了同样的线圈电池的节数越多，电流越大，电磁铁的磁性越强；同样多的电池，线圈匝数越多，电磁铁的磁性越强。

三、动手实践，加深理解

“仅仅知道道理还不够，还要应用到实践中。这才是我们学习的最终目的。下面请你们想办法使自己组的小熊跳得最高，最后选出前三名。”我又布置下一个任务。科学探究活动是个由简单到复杂，由扶到放的过程。这里我让学生在了解电磁铁的基础上探索出让电磁铁磁性更强，小熊跳得更高的方法。并通过比赛激发学生的兴趣。

接着小组成员研究做法，小组长分好工，合作完成制作。个个忙得目不暇接。这次的探究过程中，我要求学生大胆猜想，积极探索，发展他们对科学的理解力，让他们亲身经历一次较深入的科学研究过程。

最后请各组展示成果，请两名小裁判量出小熊的脚与电磁铁之间的距离，评选出前三。 请获奖小组的同学介绍一下制作过程，说说用什么方法使小熊跳得最有激情的。让学生在分析对比中充分认识到同时增加电流的大小和线圈的匝数可以使电磁铁的磁性更强，加深对电磁铁性质的理解。

四、拓展延伸，深层发展

科学探究是一个能动的、多样的、多层面的、循环发展的过程，让学生在理解科学知识的基础上，进行一些深层次的尝试，是科学探究的目的之一。在此基础上我设计了改变电流方向，小熊的运动方向也会跟着改变这一活动过程，让学生在探究过程中明白电磁铁和磁铁一樱也有南北极。同时也告诉学生们，关于电磁铁的奥秘还很多，课后可以继续探讨。

五、归纳提升，回归生活

电磁铁的应用篇2

关键词：高密度电法；瞬变电磁法；活断层；城市干扰

中图分类号：O441 文献标识码： A

引言

活断层是晚更新世(12.5万年)以来,有证据显示活动过,而未来有可能再度活动的断层。大量研究表明绝大多数强震震中分布于活断层带内，因此在城市勘察中查明活断层的具置及分布范围对城市工程建设具有非常重要的意义。由活断层的定义可知，断层带往往延伸至第四系地层中。由于第四纪沉积物具有受人类活动影响大、岩性松散、成因多样、厚度差异大等特点，所以第四系地层物性结构复杂，物性差异不明显。高铁站活断层分布于西山隆起东北侧中更新世冰水台地上，地表出露中更新统(Q2)、上更新统(Q3)及全新统(Q4)砾石层，下伏地层为第三系泥岩及砂岩。由于第四系砾石层结构松散，导致第四系地层中的活断层破碎带与围岩的物性差异不明显，进而使得在电性异常上难以分辨。为达到勘察的目的，在工作方法上，采用高密度电法及瞬变电磁法，在解释方法上，结合地质资料，通过深部断层带异常向地表延伸的方法查找第四系断层破碎带与围岩的电阻率异常反应。综合采集到的数据及资料，我们对乌鲁木齐高铁站活断层进行了综合解释，取得了较为理想的效果，为今后活断层勘察提供了可行的方法。

地质概况及地球物理特性

地质概况

测区为山前丘陵区，主要为第四系人工填土、圆砾土、白垩系及下第三系泥岩、砂岩、砾岩，覆盖层厚度不均，基岩部分地段出露。九家湾活断层组(f5)分布于西山隆起东北侧中更新世冰水台地上，主要由4~5条走向NE，大体等间距平行排列的一组正断层构成，每条正断层表现为地堑构造，地貌上形成断层沟槽，航空和卫星影像显示清楚。这五条断层由北而南依次称为f5-1、f5-2、f5-3、f5-4、 f5-5。根据任务要求我们主要对f5-3断层开展物探工作。测区内f5-3断层由于受人工改造，现在断层地貌已不明显。

地球物理特性

第四系地层和下伏基岩，以及断层破碎带和围岩具有不同的性状，这些不

同的性状必然在物性（如电性）上有所反映。根据第四系地层和下伏基岩，以及断层破碎带和围岩所反映的不同物性（电性）特征，就可大致将不同物性的地质体区分开来。断层破碎带裂隙发育、岩性破碎，在含水的情况下，往往形成明显的低阻异常带。此外断层两侧地层错动，导致地层不连续，在物性（电性）反应上也会存在错断及不连续现象。通过分析断层可能的物性特征就为我们解释提供依据。

工作方法及原理

外业作业时，由于城市振动干扰强，震源能量无法满足，故未开展地震法，主要开展了目前效果较好，分辨率较高的高密度电法，并在电磁干扰较弱的地段开展了瞬变电磁法。

2.1、高密度电法工作方法及原理

高密度电法是以岩土体导电性差异为物理基础的一种勘探方法，通过研究人工电场作用下介质传导电流的分布规律，探测一定深度范围内不同电性地质体引起的异常特征，从而达到地质解释的目的。实际工作中电极一次性布设60跟电极，电极间距为10m，采集方式为温纳装置方式，该装置方式在垂向方向上有较高的分辨率，能更为准确的反应不同地层电阻率随深度的变化规律。

2.2、瞬变电磁法工作方法及原理

瞬变电磁法的主要理论依据就是电磁感应定律，是电磁感应法的一组分支勘探方法；他是以地下介质与目标体的导电性和导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而解决地质问题的一种勘探方法。瞬变电磁对高压线、地面铁磁性物体、工业游散电流等干扰反应比较敏感，故野外施工时要尽量避开干扰源。为有效减小干扰，结合现场地质条件，此次瞬变电磁数据采集方式我们选用大定源装置，回线内接收，选定发射线框为300m*300m 单匝矩形回线，发射频率为4HZ，测点间距为10m。

资料处理及解释

根据任务要求并结合现场地质情况，本次工作布设两条高密度断面： GMD-1、

GMD-2，长2400m；一条瞬变电磁断面：TEM-1，长600m。布置测线区域地形较平坦，电极接地条件良好，瞬变电磁测线附近无强电磁、及金属干扰。工区布

置图如图1。

图1工区物探测线布置图

（注：红线为物探测线，粉线为断层带边界）

将采集到的高密度电法及瞬变电磁法的数据进行转换、拼接、校正，最后进行反演，得到电阻率模型图。图2、图3分别为测线GMD-1、测线GMD-2视电阻率反演成果图。

图2 测线GMD-1视电阻率反演成果图

图3 测线GMD-2视电阻率反演成果图

由高密度视电阻率反演成果可以看出，测区表层电阻率较高，电阻率为50—600欧姆.米，厚度1—60米；测区深部电阻率较低，电阻率为5—250欧姆.米。结合附近钻孔资料及地质资料可知，表层为第四系碎石类土，下伏地层为第三系泥岩及砂岩，高密度电法所测的物性参数与实际地层的物性参数基本吻合，证明高密度电法工作在该工点取得了较理想的效果。测线GMD-1，330m~500m及测线GMD-2，260m~450m电阻率在垂向上分布均匀，但水平方向上表现出电性梯度带，梯度带左右电阻率分布厚度明显发生变化。由此推断该梯度带为F5-3断层通过位置。GMD-1测线电性梯度带表层第四系地层在420m~450m有不明显的错动现象；GMD-2测线320m~450m,表层第四系地层电性在水平方向分布不连续，局部反应为弱低阻异常（测区水位较深，钻孔揭露第四系地层中未见水，断层破碎带中没有水，所以第四系断层带与围岩之间的电性异常反应并不明显）。由此推断该断层为活动断层。为进一步验证断层位置，我们在测线GMD-1、测线GMD-2中间布置一条瞬变电磁断面TEM-1。图4为测线TEM-1视电阻率反演成果图。

图4 测线TEM-1视电阻率反演成果图

由图4可知，瞬变电磁反演成果图与高密度电法反演成果图，在测区整体电性反应上基本一致，都表现为表层地层电阻率高，下伏地层电阻率低；测线TEM-1，200m~400m处也表现出较明显的电性梯度带。高密度电法和瞬变电磁法相互验证，最终确定断层位置及分布范围（断层带分布位置见图1）。

结语

城市工程物探受城市干扰、场地限制等多方面因素的影响，导致采集到的数据不理想，很难去除干扰，所以在实际工作中要结合多种物探方法，采用抗干扰能力较强的装置，并结合地质资料综合解释。第四系地层中的活断层的电性差异与围岩很难区分，这就需要结合深部地层的电性异常逐步分析寻找。此次物探工作取得了较理想的成果，为高铁站勘察设计提供依据，同时也为今后开展类似的工作提供了宝贵的经验。

参考文献：

刘国兴.电法勘探原理与方法【M】.北京地质出版社，2005.

邓起东.城市活动断裂探测和地震危险性评价问题【J】.地震地质，2002,24（4）:601~605.

白登海，王立凤，孙杰，等.福州八一水库-尚干断裂的高密度电法和瞬变电磁法实验探测【J】.地震地质，2002,24（4）557~564.

电磁铁的应用篇3

论文摘要：铁磁材料在现代科学技术中得到广泛的应用,随着材料科学的发展,它已成为一种重要的智能材料。本文主要介绍铁磁材料的原理，分类，及其应用；并对三类主要铁磁材料详细介绍，包括软磁材料，硬磁材料，矩磁材料。

引言

随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉。氧化铁。细铁丝等。

到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达。电视广播。集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯。自动控制。计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。

铁磁材料是受到外磁场作用时显示很强磁性的材料。例如铁，钴，镍和它们的一些合金，稀土族金属以及一些氧化物都属于铁磁材料，具有明显而特殊的磁性。首先，它们都有很大的磁导率μ；其次，它们都有明显的磁滞效应。

磁导率（magneticpermeability）：表征磁介质磁性的物理量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。磁滞----铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞。高磁导率是铁磁材料应用特别广泛的主要原因。磁滞特性使永磁体的制造成为可能，但在许多其他应用中却带来不利影响。当铁磁材料处于交变磁场中时将沿磁滞回线反复被磁化。在反复磁化的过程中要消耗额外的能量，以热的形式从铁磁材料中释放，这种能量损耗称为磁滞损耗，磁滞损耗不仅造成能量的浪费，而且使铁芯的温度升高，导致绝缘材料的老化，所以应尽量减少。

软磁材料（softmagneticmaterial）：具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。软磁材料主要有，以金属软磁材料（以硅钢片，坡莫合金等为代表，包括Fe系，FeSiAl系和FeGo系等）和铁氧体软磁材料（如MnZn系，NiZn系和MgZn系等）为代表的晶体材料，非晶态软磁合金（主要分为Fe基和Go基两种）以及近年来发展起来的纳米晶软磁合金，如纳米粒状组织软磁合金，纳米结构软磁薄膜和纳米线等等。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。

硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而且在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电子电路中的记忆元件等。在电学中硬磁材料的主要作应是产生磁力线，然后让运动的导线切割磁力线，从而产生电流。

磁带录音原理：硬磁性材料被磁化以后，还留有剩磁，剩磁的强弱和方向随磁化时磁性的强弱和方向而定。录音磁带是由带基、粘合剂和磁粉层组成。带基一般采用聚碳酸脂或氯乙烯等制成。磁粉是用剩磁强的r－Fe2O3或CrO2细粉。录音时，是把与声音变化相对应的电流，经过放大后，送到录音磁头的线圈内，使磁头铁芯的缝隙中产生集中的磁场。随着线圈电流的变化，磁场的方向和强度也作相应的变化。当磁带匀速地通过磁头缝隙时，磁场就穿过磁带并使它磁化。由于磁带离开磁头后留有相应的剩磁，其极性和强度与原来的声音相对应。磁带不断移动，声音也就不断地被记录在磁带上。

矩磁材料，这里是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的特点是，当有较小的外磁场作用时，就能使之磁化，并达到饱和，去掉外磁场后，磁性仍然保持与饱和时一样。如镁锰铁氧体，锂锰铁氧体等就是这样。这种铁氧体材料主要用于各种电子计算机的存储器磁芯等方面。应用于计算机磁性存储设备和作为乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡所用的磁性材科及作用原理，同磁带所用的磁性材料及作用原理基本相同。但材料是矩磁材料（易磁化不易去磁）。

电磁铁的应用篇4

    铁磁材料在现代科学技术中得到广泛的应用,随着材料科学的发展,它已成为一种重要的智能材料。本文主要介绍铁磁材料的原理，分类，及其应用；并对三类主要铁磁材料详细介绍，包括软磁材料，硬磁材料，矩磁材料。

随着工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉。氧化铁。细铁丝等。到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力用软磁材料中仍居首位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达。广播。集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯。自动控制。等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。

铁磁材料是受到外磁场作用时显示很强磁性的材料。例如铁，钴，镍和它们的一些合金，稀土族金属以及一些氧化物都属于铁磁材料，具有明显而特殊的磁性。首先，它们都有很大的磁导率μ；其次，它们都有明显的磁滞效应。

磁导率（magnetic permeability）：表征磁介质磁性的量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。磁滞----铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞。高磁导率是铁磁材料应用特别广泛的主要原因。磁滞特性使永磁体的制造成为可能，但在许多其他应用中却带来不利影响。当铁磁材料处于交变磁场中时将沿磁滞回线反复被磁化。在反复磁化的过程中要消耗额外的能量，以热的形式从铁磁材料中释放，这种能量损耗称为磁滞损耗，磁滞损耗不仅造成能量的浪费，而且使铁芯的温度升高，导致绝缘材料的老化，所以应尽量减少。

软磁材料（soft magnetic material）：具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和设备中。软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。软磁材料主要有，以金属软磁材料（以硅钢片，坡莫合金等为代表，包括fe系，fesial系和 fego系等）和铁氧体软磁材料（如mnzn系，nizn系和mgzn系等）为代表的晶体材料，非晶态软磁合金（主要分为fe基和go基两种）以及近年来发展起来的纳米晶软磁合金，如纳米粒状组织软磁合金，纳米结构软磁薄膜和纳米线等等。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。

硬磁是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体bafe12o19。这种材料性能较好，较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而且在、生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电路中的记忆元件等。在电学中硬磁材料的主要作应是产生磁力线，然后让运动的导线切割磁力线，从而产生电流。

磁带录音原理：硬磁性材料被磁化以后，还留有剩磁，剩磁的强弱和方向随磁化时磁性的强弱和方向而定。录音磁带是由带基、粘合剂和磁粉层组成。带基一般采用聚碳酸脂或氯乙烯等制成。磁粉是用剩磁强的r－fe2o3或cro2细粉。录音时，是把与声音变化相对应的电流，经过放大后，送到录音磁头的线圈内，使磁头铁芯的缝隙中产生集中的磁场。随着线圈电流的变化，磁场的方向和强度也作相应的变化。当磁带匀速地通过磁头缝隙时，磁场就穿过磁带并使它磁化。由于磁带离开磁头后留有相应的剩磁，其极性和强度与原来的声音相对应。磁带不断移动，声音也就不断地被记录在磁带上。

    矩磁材料，这里是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的特点是，当有较小的外磁场作用时，就能使之磁化，并达到饱和，去掉外磁场后，磁性仍然保持与饱和时一样。如镁锰铁氧体，锂锰铁氧体等就是这样。这种铁氧体材料主要用于各种电子的存储器磁芯等方面。应用于计算机磁性存储设备和作为乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡所用的磁性材科及作用原理，同磁带所用的磁性材料及作用原理基本相同。但材料是矩磁材料（易磁化不易去磁）。

电磁铁的应用篇5

关键字：电磁继电器；电磁铁；有限元；电磁吸力

1 引言

电磁铁是一种利用电磁力实现电能转换为机械能的电磁控制元件[1]，它作为电磁继电器的操作机构，一方面，其吸力特性与反力弹簧的反力特性的配合决定了触头闭合与分断速度，另一方面，对常开触点继电器而言，电磁铁的静态吸力特性也直接影响了触点闭合时的接触压力进而影响触点的接触电阻，因此电磁铁的设计对提高继电器的性能至关重要。

一般在工程设计中预测电磁铁性能有三种方法[2]：试验法、解析法和数值法。其中，数值法能够灵活、有效地分析和求解复杂的电磁现象，并且随着计算机硬件的不断发展，其优势也变得越发突显。因此，本文采用有限元软件ANSYS计算了直流电磁铁静态磁场的分布和静态电磁吸力，通过试验验证了该方法的计算结果是准确的，同时分析了材料的导磁性对静态吸力特性的影响，提出了优化设计方案。

2计算模型

2.1 研究对象

A-上轭铁; B-绕线架; C-线圈; D-磁轭; E-下轭铁;F-中心轴;G-衔铁; H-反力弹簧; I-主工作气隙

图1 直流电磁铁几何模型

本文的研究对象为一直流电磁铁，因该电磁铁是轴对称的，且磁力线只沿过对称轴的平面分布，故在进行有限元分析计算时，取过对称轴平面的一半来建立2D模型，如图1所示。

2.2 静态磁场的计算模型

直流电磁铁的线圈被激励后产生磁势，在主工作气隙中产生磁通，此时衔铁在该磁场中受到使该气隙减小的电磁吸力，即使衔铁向上运动的力。计算时先计算磁矢位的分布，再计算磁感应强度的分布，最后计算电磁力。

为了便于计算作如下假设：(1)电磁铁外部无空间磁场(包括地磁场)；(2)由于结构的对称性，则对称轴处磁力线与对称轴平行；(3)材料各向同性；(4)不考虑外露磁通，故在电磁铁外边界，磁力线沿该边界平行分布。

此时，电磁铁内部静态磁矢位满足泊松方程[3]

(1)

式中， 为磁矢位，Wb/m； 为介质的磁导率，H/m； 为电流密度， A/mm2。在2D模型中，电流密度 只有Z方向的分量，故磁矢位也只有Z向分量，式(1)可简化成式(2)的形式。

(2)

式中， 为磁矢位 的Z向分量，Wb/m； 为Z向的电流密度，A/mm2。

边界条件：

对称轴、外边界为磁力线平行边界:

(3)

由方程(2)、(3)可求出整个场域的磁矢位 的

静态分布。由式(4)计算场域中的磁感应强度。

(4)

式中， 为磁感应强度，T； 为X轴的方向向量； 为Y轴的方向向量。

2.3 电磁吸力的计算

磁场力都可归结为磁场对运动电荷的作用力，该力通过媒质传递，在介质中存在有磁场应力。对于静磁场，麦克斯韦公式[4]指出：磁场对衔铁的作用力可通过在空气(或其他非铁磁介质)中任意选择一个包围衔铁的封闭面，对表面应力进行环面积分来求得，用公式表达为：

式中， 为衔铁受到的电磁力，N； 为积分表面法线方向的单位向量； 为积分表面处的磁感应强度向量，T； 为介质在真空中的磁导率， 。

3 计算结果

3.1 励磁计算及材料

本文研究的直流电磁铁只有一个激励源，线圈加载直流电流产生磁势，该激励以电流面密度的形式加载在线圈的横截面上。电磁铁各零部件的磁导率对其电磁力均会产生影响，因此计算时需要给出各材料的磁导率。

3.2 静态磁场分布及静态电磁吸力

图2为直流电磁铁在不同主工作气隙 下的磁通分布。

（a）、（b）分别为主气隙 为2.1mm、1.0mm时的磁通分布

图2不同主气隙 下的磁通分布

可见，反力弹簧短接了一部分磁通，还有部分磁通不通过主气隙而直接闭合（称之为漏磁通）。随着主气隙 减小，漏磁通和被反力弹簧短接的磁通占总磁通的比例减小，主磁通占总磁通的比例增大。也就是说，随着主气隙 减小，磁路的总磁阻减小，总磁通增大，因此电磁吸力也相应增加。图3为直流电磁铁静态吸力特性的计算结果与试验结果的比较。可见，计算结果与实测结果较为符合，说明了该计算方法是可行、准确、合理的。

图3 静态电磁吸力的计算值与实测值的比较

4.2反力弹簧磁导率对静态吸力特性的影响

本文计算反力弹簧的相对磁导率 分别为1、10、100、500时电磁铁的静态吸力，计算时，中心轴材料的相对磁导率固定为1。

从图4可以看到，当主气隙 较大时(大于1.0mm)，随着 增加，电磁吸力减小；当主气隙 减小到一定程度时(小于0.7mm)，随 的增加，电磁吸力增大。这是因为当主气隙较大时，主磁路不饱和，反力弹簧短接了部分主磁通导致电磁吸力减小，但当主磁通减小到一定程度时，磁路开始进入饱和区，反力弹簧的存在恰好削弱的磁路的饱和程度，此时电磁吸力反而增大了。

图4 反力弹簧导磁性对静态吸力的影响

4.3 中心轴磁导率对静态吸力特性的影响

既然反力弹簧的磁性能会对电磁铁静态吸力特性产生影响，那么中心轴的磁性能也会对电磁铁静态吸力特性起加强或消弱的作用。因此，本文计算中心轴材料的相对磁导率 分别为1、10、100、500时电磁铁的静态电磁吸力，计算时反力弹簧材料的相对磁导率固定为500。

图5是分别为1、10、100、500时电磁铁的静态吸力特性。从图中可以看到， 对电磁铁的静态吸力特性影响较小。与反力弹簧对静态吸力特性的影响所不同，在整段工作气隙上，随 的增加，静态电磁吸力都是减小的，但减小的程度较小。故减小中心轴的磁导率可在一定程度上增大电磁铁的静态吸力。

5 结论

本文采用有限元软件AYSYS对电磁继电器的操作机构――直流电磁铁进行了电磁吸力特性仿真计算，分析了部分材料的导磁性对电磁吸力的影响，并提出了优化设计方案，结论如下：

1利用有限元方法对直流电磁铁静态吸力的仿真计算结果与试验结果相符，说明该方法在直流电磁铁设计计算中是一种准确的、实用、行之有效的方法。

2 反力弹簧的存在会短接部分主磁通，但在小气隙时，增大反力弹簧的导磁性可提高电磁铁的电磁吸力，在大气隙时，电磁铁的电磁吸力减小，在电磁铁设计时可根据吸反力特性配合的需要进行合理选材。

电磁铁的应用篇6

现有制造电池、蓄电池的原理是电化学反应。电极是不同种元素、不同种化合物构成，产生电流不需要磁场的参与。

目前有磁性材料作电极的铁镍蓄电池（注1），但铁镍蓄电池放电时没有外加磁场的参与。

通过数次实验证明，在磁场中是可以发生电化学反应的。本实验报告是研究电化学反应发生在磁场中，电极是用同种元素、同种化合物。

《磁场中的电化学反应》不同于燃料电池、磁流体发电。

二、实验方法和观察结果

1、所用器材及材料

（1）：长方形塑料容器一个。约长100毫米、宽40毫米、高50毫米。

（2）：磁体一块，上面有一根棉线，棉线是作为挂在墙上的钉子上用。还有铁氧体磁体Φ30*23毫米二块、稀土磁体Φ12*5毫米二块、稀土磁体Φ18*5毫米一块。

（3）：塑料瓶一个，内装硫酸亚铁，分析纯。

（4）：铁片两片。（对铁片要进行除锈处理，用砂纸除锈、或用刀片除锈、或用酸清洗。）用的罐头铁皮，长110毫米、宽20毫米。表面用砂纸处理。

2、 电流表，0至200微安。

用微安表，由于要让指针能向左右移动，用表头上的调0螺丝将指针向右的方向调节一定位置。即通电前指针在50微安的位置作为0，或者不调节。

3、 "磁场中的电化学反应"装置是直流电源，本实验由于要使用电流表，一般的电流表指针的偏转方向是按照电流流动方向来设计的，（也有随电流流动方向改变，电流表指针可以左右偏转的电流表。本实验报告示意图就是画的随电流流动方向改变，电流表指针可以向左或向右偏转的电流表）。因此本演示所讲的是电流流动方向，电流由"磁场中的电化学反应"装置的正极流向"磁场中的电化学反应"装置的负极，通过电流表指针的偏转方向，可以判断出"磁场中的电化学反应"装置的正极、负极。

4、 手拿磁体，靠近塑料瓶，明显感到有吸引力，这是由于塑料瓶中装了硫酸亚铁，说明硫酸亚铁是铁磁性物质。

5、 将塑料瓶中的硫酸亚铁倒一些在纸上，压碎硫酸亚铁晶体，用磁体靠近硫酸亚铁，这时有一部分硫酸亚铁被吸引在磁体上，进一步说明硫酸亚铁是铁磁性物质。

6、 将磁体用棉线挂在墙上一个钉子上让磁体悬空垂直不动，用装有硫酸亚铁的塑料瓶靠近磁体，当还未接触到悬空磁体时，可以看到悬空磁体已开始运动，此事更进一步说明硫酸亚铁是铁磁性物质。（注：用另一个塑料瓶装入硫酸亚铁饱和溶液产生的现象同样）

7、 通过步骤4、5、6我们得到这样的共识，硫酸亚铁是铁磁性物质。

8、 将塑料瓶中的硫酸亚铁适量倒在烧杯中，加入蒸溜水溶解硫酸亚铁。可以用饱和的硫酸亚铁溶液，然后倒入一个长方形的塑料容器中。实验是用的饱和硫酸亚铁溶液。装入长方形容器中的液面高度为40毫米。

9、 将铁片分别放在塑料容器中的硫酸亚铁溶液两端中，但要留大部分在溶液之上，以便用电流表测量电流。由于两个电极是用的同种金属铁，没有电流的产生。

10、 然后，在塑料容器的外面，将铁氧体磁体放在某一片铁片的附近，让此铁片处在磁埸中。用电流表测量两片铁片之间的电流，可以看到有电流的产生。（如果用单方向移动的电流表，注意电流表的正极应接在放磁体的那一端），测量出电流强度为70微安。为什么同种金属作电极在酸、碱、盐溶液中有电流的产生？电位差是怎样形成的？我是这样看这个问题的：由于某一片铁片处在磁埸中，此铁片也就成为磁体，因此，在此铁片的表面吸引了大量的带正电荷的铁离子，而在另一片铁片的表面的带正电荷的铁离子的数量少于处在磁埸中的铁片的带正电荷的铁离子数量，这两片铁片之间有电位差的存在，当用导线接通时，电流由铁离子多的这一端流向铁离子少的那一端，（电子由铁离子少的那一端铁片即电源的负极流向铁离子多的那一端铁片即电源的正极）这样就有电流产生。可以用化学上氧化－还原反应定律来看这个问题。处在磁埸这一端的铁片的表面由于有大量带正电荷的铁离子聚集在表面， 而没有处在磁埸的那一端的铁片的表面的带正电荷的铁离子数量没有处在磁埸中的一端多，当接通电路后，处在磁埸这一端的铁片表面上的铁离子得到电子（还原）变为铁原子沉淀在铁片表面，而没有处在磁埸那一端的铁片失去电子（氧化）变为铁离子进入硫酸亚铁溶液中。因为在外接的电流表显示，有电流的流动，可以证明有电子的转移，而电子流动方向是由电源的负极流向电源的正极，负极铁片上铁原子失去电子后，就变成了铁离子，进入了硫酸亚铁溶液中。下图所示。

11、 确定"磁场中的电化学反应"的正、负极，确认正极是处在磁体的位置这一端。这是通过电流表指针移动方向来确定的。

12、 改变电流表指针移动方向的实验，移动铁氧体磁体实验，将第10步骤中的磁体从某一片上移开（某一片铁片可以退磁处理，如放在交变磁埸中退磁，产生的电流要大一些）然后放到另一片铁片附近，同样有电流的产生，注意这时正极的位置发生了变化，电流表的指针移动方向产生了变化。

如果用稀土磁体，由于产生的电流强度较大，电流表就没有必要调整0为50毫安处。而用改变接线的方式来让电流表移动。

改变磁体位置：如果用磁体直接吸引铁片电极没有浸在液体中的部份的方式来改变磁体位置，铁片电极不退磁处理也行。

下图所示磁体位置改变，电流表指针偏转方向改变。证明电流流动方向改变，《磁场中电化学反应》成立。电流流动方向说明了磁体在电极的正极位置。

 

三、实验结果讨论

此演示实验产生的电流是微不足道的，我认为此演示的重点不在于产生电流的强度的大小，而重点是演示出产生电流流动的方向随磁体的位置变动而发生方向性的改变，这就是说此电源的正极是随磁体在电源的那一极而正极就在磁体的那一极。因此，可以证明，"磁场中的电化学反应"是成立的，此电化学反应是随磁体位置发生变化而产生的可逆的电化学反应。请特别注意"可逆"二字，这是本物理现象的重点所在。

通过磁场中的电化学反应证实：物理学上原电池的定律在恒定磁场中是不适用的（原电池两极是用不同种金属，而本实验两极是用相同的金属）。

通过磁场中的电化学反应证实：物理学上的洛仑兹力（洛伦兹力）定律应修正，洛仑兹力对磁性运动电荷是吸引力，而不是偏转力。并且洛仑兹力要做功。

通过实验证实，产生电流与磁场有关，电流流流动的方向与磁体的位置有关。电极的两极是用的同种金属，当负极消耗后又补充到正极，由于两极是同种金属，所以总体来说，电极没有发生消耗。这是与以往的电池的区别所在。而且，正极与负极可以随磁体位置的改变而改变，这也是与以往的电池区别所在。

《磁场中电化学反应》电源的正极与负极可以循环使用。

产生的电能大小所用的计算公式应是法拉弟电解定律，法拉第电解第一定律指出，在电解过程中，电极上析出产物的质量，和电解中通入电流的量成正比，法拉第电解第二定律指出：各电极上析出产物的量，与各该物质的当量成正比。法拉第常数是1克当量的任何物质产生（或所需） 的电量为96493库仑。而移动磁体或移动电极所消耗的功应等于移动磁体或移动电极所用的力乘以移动磁体或移动电极的距离。

四、进一步实验的方向

1、 在多大的铁片面积下，产生多大的电流？具体数字还要进一步实验，从目前实验来看，铁片面积及磁场强度大的条件下，产生的电流强度大。如铁片浸入硫酸亚铁溶液20毫米时要比浸入10毫米时的电流强度大。

2、 产生电流与磁场有关，还要作进一步的定量实验及进一步的理论分析。如用稀土磁体比铁氧体磁体的电流强度大，在实验中，最大电流强度为200微安。可以超过200微安，由于电流表有限，没有让实验电流超过200微安。

3、 产生的电流值随时间变化的曲线图A-T(电流-时间)，还要通过进一步实验画出。

4、 电解液的浓度及用什么样电解液较好？还需进一步实验。

五、新学科

由于《磁场中的电化学反应》在书本及因特网上查不到现成的资料，可以说是一门新学科，因此，还需要进一步的实验验证。此文起抛砖引玉之用。我希望与有识之士共同进行进一步的实验。

我的观点是，一项新实验，需要不同的时间、不同的人、不同的地点重复实验成功才行。

参考文献

电磁铁的应用篇7

现有制造电池、蓄电池的原理是电化学反应。电极是不同种元素、不同种化合物构成，产生电流不需要磁场的参与。

目前有磁性材料作电极的铁镍蓄电池（注1），但铁镍蓄电池放电时没有外加磁场的参与。

通过数次实验证明，在磁场中是可以发生电化学反应的。本实验报告是研究电化学反应发生在磁场中，电极是用同种元素、同种化合物。

《磁场中的电化学反应》不同于燃料电池、磁流体发电。

二、实验方法和观察结果

1、所用器材及材料

（1）：长方形塑料容器一个。约长100毫米、宽40毫米、高50毫米。

（2）：磁体一块，上面有一根棉线，棉线是作为挂在墙上的钉子上用。还有铁氧体磁体φ30*23毫米二块、稀土磁体φ12*5毫米二块、稀土磁体φ18*5毫米一块。

（3）：塑料瓶一个，内装硫酸亚铁，分析纯。

（4）：铁片两片。（对铁片要进行除锈处理，用砂纸除锈、或用刀片除锈、或用酸清洗。）用的罐头铁皮，长110毫米、宽20毫米。表面用砂纸处理。

2、 电流表，0至200微安。

用微安表，由于要让指针能向左右移动，用表头上的调0螺丝将指针向右的方向调节一定位置。即通电前指针在50微安的位置作为0，或者不调节。

3、 "磁场中的电化学反应"装置是直流电源，本实验由于要使用电流表，一般的电流表指针的偏转方向是按照电流流动方向来设计的，（也有随电流流动方向改变，电流表指针可以左右偏转的电流表。本实验报告示意图就是画的随电流流动方向改变，电流表指针可以向左或向右偏转的电流表）。因此本演示所讲的是电流流动方向，电流由"磁场中的电化学反应"装置的正极流向"磁场中的电化学反应"装置的负极，通过电流表指针的偏转方向，可以判断出"磁场中的电化学反应"装置的正极、负极。

4、 手拿磁体，靠近塑料瓶，明显感到有吸引力，这是由于塑料瓶中装了硫酸亚铁，说明硫酸亚铁是铁磁性物质。

5、 将塑料瓶中的硫酸亚铁倒一些在纸上，压碎硫酸亚铁晶体，用磁体靠近硫酸亚铁，这时有一部分硫酸亚铁被吸引在磁体上，进一步说明硫酸亚铁是铁磁性物质。

6、 将磁体用棉线挂在墙上一个钉子上让磁体悬空垂直不动，用装有硫酸亚铁的塑料瓶靠近磁体，当还未接触到悬空磁体时，可以看到悬空磁体已开始运动，此事更进一步说明硫酸亚铁是铁磁性物质。（注：用另一个塑料瓶装入硫酸亚铁饱和溶液产生的现象同样）

7、 通过步骤4、5、6我们得到这样的共识，硫酸亚铁是铁磁性物质。

8、 将塑料瓶中的硫酸亚铁适量倒在烧杯中，加入蒸溜水溶解硫酸亚铁。可以用饱和的硫酸亚铁溶液，然后倒入一个长方形的塑料容器中。实验是用的饱和硫酸亚铁溶液。装入长方形容器中的液面高度为40毫米。

9、 将铁片分别放在塑料容器中的硫酸亚铁溶液两端中，但要留大部分在溶液之上，以便用电流表测量电流。由于两个电极是用的同种金属铁，没有电流的产生。

10、 然后，在塑料容器的外面，将铁氧体磁体放在某一片铁片的附近，让此铁片处在磁埸中。用电流表测量两片铁片之间的电流，可以看到有电流的产生。（如果用单方向移动的电流表，注意电流表的正极应接在放磁体的那一端），测量出电流强度为70微安。为什么同种金属作电极在酸、碱、盐溶液中有电流的产生？电位差是怎样形成的？我是这样看这个问题的：由于某一片铁片处在磁埸中，此铁片也就成为磁体，因此，在此铁片的表面吸引了大量的带正电荷的铁离子，而在另一片铁片的表面的带正电荷的铁离子的数量少于处在磁埸中的铁片的带正电荷的铁离子数量，这两片铁片之间有电位差的存在，当用导线接通时，电流由铁离子多的这一端流向铁离子少的那一端，（电子由铁离子少的那一端铁片即电源的负极流向铁离子多的那一端铁片即电源的正极）这样就有电流产生。可以用化学上氧化－还原反应定律来看这个问题。处在磁埸这一端的铁片的表面由于有大量带正电荷的铁离子聚集在表面， 而没有处在磁埸的那一端的铁片的表面的带正电荷的铁离子数量没有处在磁埸中的一端多，当接通电路后，处在磁埸这一端的铁片表面上的铁离子得到电子（还原）变为铁原子沉淀在铁片表面，而没有处在磁埸那一端的铁片失去电子（氧化）变为铁离子进入硫酸亚铁溶液中。因为在外接的电流表显示，有电流的流动，可以证明有电子的转移，而电子流动方向是由电源的负极流向电源的正极，负极铁片上铁原子失去电子后，就变成了铁离子，进入了硫酸亚铁溶液中。下图所示。

11、 确定"磁场中的电化学反应"的正、负极，确认正极是处在磁体的位置这一端。这是通过电流表指针移动方向来确定的。

12、 改变电流表指针移动方向的实验，移动铁氧体磁体实验，将第10步骤中的磁体从某一片上移开（某一片铁片可以退磁处理，如放在交变磁埸中退磁，产生的电流要大一些）然后放到另一片铁片附近，同样有电流的产生，注意这时正极的位置发生了变化，电流表的指针移动方向产生了变化。

如果用稀土磁体，由于产生的电流强度较大，电流表就没有必要调整0为50毫安处。而用改变接线的方式来让电流表移动。

改变磁置：如果用磁体直接吸引铁片电极没有浸在液体中的部份的方式来改变磁置，铁片电极不退磁处理也行。

下图所示磁置改变，电流表指针偏转方向改变。证明电流流动方向改变，《磁场中电化学反应》成立。电流流动方向说明了磁体在电极的正极位置。

三、实验结果讨论

此演示实验产生的电流是微不足道的，我认为此演示的重点不在于产生电流的强度的大小，而重点是演示出产生电流流动的方向随磁体的位置变动而发生方向性的改变，这就是说此电源的正极是随磁体在电源的那一极而正极就在磁体的那一极。因此，可以证明，"磁场中的电化学反应"是成立的，此电化学反应是随磁置发生变化而产生的可逆的电化学反应。请特别注意"可逆"二字，这是本物理现象的重点所在。

通过磁场中的电化学反应证实：物理学上原电池的定律在恒定磁场中是不适用的（原电池两极是用不同种金属，而本实验两极是用相同的金属）。

通过磁场中的电化学反应证实：物理学上的洛仑兹力（洛伦兹力）定律应修正，洛仑兹力对磁性运动电荷是吸引力，而不是偏转力。并且洛仑兹力要做功。

通过实验证实，产生电流与磁场有关，电流流流动的方向与磁体的位置有关。电极的两极是用的同种金属，当负极消耗后又补充到正极，由于两极是同种金属，所以总体来说，电极没有发生消耗。这是与以往的电池的区别所在。而且，正极与负极可以随磁置的改变而改变，这也是与以往的电池区别所在。

《磁场中电化学反应》电源的正极与负极可以循环使用。

产生的电能大小所用的计算公式应是法拉弟电解定律，法拉第电解第一定律指出，在电解过程中，电极上析出产物的质量，和电解中通入电流的量成正比，法拉第电解第二定律指出：各电极上析出产物的量，与各该物质的当量成正比。法拉第常数是1克当量的任何物质产生（或所需） 的电量为96493库仑。而移动磁体或移动电极所消耗的功应等于移动磁体或移动电极所用的力乘以移动磁体或移动电极的距离。

四、进一步实验的方向

1、 在多大的铁片面积下，产生多大的电流？具体数字还要进一步实验，从目前实验来看，铁片面积及磁场强度大的条件下，产生的电流强度大。如铁片浸入硫酸亚铁溶液20毫米时要比浸入10毫米时的电流强度大。

2、 产生电流与磁场有关，还要作进一步的定量实验及进一步的理论分析。如用稀土磁体比铁氧体磁体的电流强度大，在实验中，最大电流强度为200微安。可以超过200微安，由于电流表有限，没有让实验电流超过200微安。

3、 产生的电流值随时间变化的曲线图a-t(电流-时间)，还要通过进一步实验画出。

4、 电解液的浓度及用什么样电解液较好？还需进一步实验。

五、新学科

由于《磁场中的电化学反应》在书本及因特网上查不到现成的资料，可以说是一门新学科，因此，还需要进一步的实验验证。此文起抛砖引玉之用。我希望与有识之士共同进行进一步的实验。

我的观点是，一项新实验，需要不同的时间、不同的人、不同的地点重复实验成功才行。

参考文献

电磁铁的应用篇8

一、工作原理

“戏藤猴”小摆设的电路如图2所示，它是利用电能、磁场能和机械能之间相互转换来驱动“小猴”不停摆动的一种电子小装置。

小磁铁装在“小猴”的腿部，小磁铁的垂直正下方安放有电磁铁，电磁铁由铁芯和线圈L1、L2组成。

当用手轻推“小猴”时，小磁铁随“小猴”从某一边（比如左边）高处向下摆动而掠过电磁铁的线圈，小磁铁的磁力线切割线圈，根据电磁感应原理，在感应线圈L1中就产生了感应电流。

该感应电流流入晶体三极管VT的基极，使VT导通，它的发射极回路中就有被放大了的电流Ie。当Ie流过线圈L2时，电磁铁便产生了一个瞬间磁场；同时，通过L2和L1之间的正反馈作用，可使VT迅速达到饱和状态，电磁铁所产生的磁场强度亦达到最强。这个磁场的极性正好和“小猴”腿部的小磁铁极性相同。由于磁场具有“同性相斥”特性，所以电磁铁就推动“小猴”向右边高处摆动。

当“小猴”达到右边最高点时，感应线圈L1中的感应电流已经消失，排斥“小猴”的磁场也随之消失，“小猴”又要在重力作用下，向反方向摆动。摆动中，小磁铁再次掠过感应线圈L1，“小猴”又被推动……这样“小猴”就以电磁铁为中心，不断地来回摆动。

也就是说，“小猴”在每次摆动掠过电磁铁上方时，都会受到电磁铁瞬间的推力作用，这一推力可克服摆动过程中产生的阻力，使“小猴”不停地、有节奏地摆动下去。

当用手迫使“小猴”静止不动时，感应线圈L1中不再产生感应电流，晶体三极管VT处于截止状态，线圈L2中亦无电流通过，整个电路不再消耗电池G的电能。

二、准备元器件

本制作共用了8个元器件，采购清单见附表所示。

晶体管VT选用9014（集电极最大允许电流ICM=100mA，集电极最大允许功耗PCM=310mW）或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求电流放大系数β≥50。

电磁铁需自制：首先按图3所示，取一φ5mm×20mm的铁芯，另取φ20mm的塑料圆片两片，中心开出φ5mm的圆孔，其中一个塑料圆片的边沿处还要开出三个φ1mm～1.5mm的穿线孔，再用强力胶将塑料圆片粘贴在铁芯两端，即做成电磁铁的线圈骨架；也可采用现成的卷装医用胶布的塑料芯子做线圈骨架，并在塑料芯子的一头钻上三个φ1mm～1.5mm的穿线孔。然后取φ0.08mm漆包线为L1，取φ0.15mm漆包线为L2，同向双线并绕4000圈左右；绕好后，把L1的尾和L2的头连接起来，作为中心抽头即成。

小磁铁最好选用磁性较强的条形永久磁铁，从磁性碰锁或废旧磁性铅笔盒中拆出来的磁铁使用效果就挺不错。

G用4节5号干电池串联（需配套塑料电池架）而成，电压6V。

三、制作与使用

图2所示的整个“戏藤猴”小摆设电路可参照图1所示，焊装在一个外观漂亮的塑料香皂盒内。在盒子内部紧贴面板内壁固定电磁铁，铁芯正对盒面。盒子面板用粗铁丝弯制成的支架固定，支架高度可控制在10cm～15cm之间；支架下面通过细铁丝弯制的吊环、塑料藤条（可用粗线染成绿色代替）吊上一个塑料或布做成的工艺品“小猴”；在“小猴”腿部用强力胶粘固上小磁铁，小磁铁的S极或N极在垂吊时正对着盒子里面的电磁铁铁芯，并且两者之间距离不超过6mm。

“戏藤猴”的外形可发挥个人的想象力去尽力美化，但注意“小猴”摆动起来要灵活，而且身体不可过重。

“戏藤猴”摆幅的大小与小磁铁的磁性强度、支架的高低、“小猴”的重量以及电池电压的高低等都有关。调整摆动幅度最简单的办法是调节支架的高度；当然，通过适当增减电池节数（可用3～8节电池、对应电压4.5V～12V）也可达到调节摆动幅度的目的。

电磁铁的应用篇9

在人教版物理选修3-1教材中只介绍了条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管等周围的磁场和匀强磁场.但在2012年的江苏省物理高考题中出现了一种新型磁场――辐向分布的磁场.考生一时难以适应，感觉较难，解题正确率很低.辐向磁场虽然在较早前使用的教材《电流表的工作原理》一课中有所涉及，但这种辐向分布的磁场却往往容易被教师和学生忽略.本文将讨论辐向磁场的磁感线分布特点及辐向磁场的应用.2 辐向磁场的特点

如图1所示，圆形线圈套在辐向永久磁铁槽中，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布，此时形成的磁场就叫做辐向磁场.特点是：距轴线等距离处的磁感应强度的大小总是相等的，磁感线总沿着轴向均匀分布.

关于辐向磁场，学生可能会提这样一个问题：既然辐向就是从中心指向各个方向或者从各个方向指向中心，那么两条磁感线就会在中心处相交，可是我们知道磁感线是不能相交的，如何解决这个矛盾？这是由于中心柱体是用软磁性材料制成的，因此它在磁场中被磁化，其本身就变成另一个磁铁了.来自N极的磁感线就不能无视软铁的存在而穿透它直指S极，而应该是从N极指向软铁左侧表面，在软铁内经由另外的磁场分布指向软铁右侧表面，再指向S极，我们说的辐向磁场就是指的N极到软铁左侧表面和软铁右侧表面到S极这个空间的磁场分布.其实中心软铁内部的磁感线分布比较复杂，这里不予分析.如果拿掉中心软铁，那么N、S两极之间的磁场就不会保持原有辐向，而会重新分布，也比较复杂，但磁感线一定不会相交.3 辐向磁场的应用3.1 辐向磁场在磁电式电流表中的应用

如图2所示是磁电式电流表的结构示意图，由于蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都与磁感线平行，通电线圈受到的安培力的力矩始终等于NBIS，线圈转动，螺旋弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的力矩.其大小随线圈转动角度的增大而增大，当这种阻碍线圈转动的力矩增大到与安培力产生的磁力矩相平衡时，线圈停止转动，固定转动轴上的指针也转过同样的偏角而停止，故由指针偏转角度的大小，可知被测电流的强弱，又当线圈中电流方向改变时，安培力方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变，所以由指针偏传方向，可以知道被测电流方向.设线圈转角为θ时，阻力矩M2=k2θ，动力矩M1=NBIS=k1I，所以M1=M2，则θ=k1k2I，即偏角与I成正比，故电流表刻度是均匀的.

例1 实验室经常使用的电流表是磁电式仪表.这种电流表的构造如图2所示.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布的.当线圈通以如图1所示的电流，下列说法正确的是

A.线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行

B.线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，阻碍线圈转动

C.当线圈转到图1所示的位置时，b端受到的安培力方向向上

D.当线圈转到图1所示的位置时，安培力的作用使线圈沿顺时针方向转动

解析 由于磁场是均匀辐向分布的，因此线圈平面始终与磁感线平行，故A正确；线圈转动时，会使螺旋弹簧扭动，产生一个阻碍线圈转动的力，故B正确；当线圈转到图1所示位置时，a端所受安培力向上，b端所受安培力向下，使线圈沿顺时针方向转动，故选项D正确，C错误.因此本题答案为A、B、D.3.2 辐向磁场在电磁感应中的应用

例2 （2012年江苏高考题）某兴趣小组设计了一种发电装置，如图3所示.在磁极和圆柱状铁芯之间形成的两磁场区域的圆心角α均为49π，磁场均沿半径方向.匝数为N的矩形线圈abcd的边长ab=cd=L、bc=ad=2L.线圈以角速度ω绕中心轴匀速转动，bc和ad 边同时进入磁场.在磁场中，两条边所经过处的磁感应强度大小均为B、方向始终与两边的运动方向垂直，线圈的总电阻为r，外接电阻为R.求：

（1）线圈切割磁感线时，感应电动势的大小Em；

（2）线圈切割磁感线时，bc边所受安培力的大小F；

（3）外接电阻R电流的有效值I.

解析 （1）bc、ad边的运动速度v=ωL2，感应电动势

Em=2NB2Lv=2NBωL2.

（2）电流Im=EmR+r，安培力F=NBImL，解得

F=4N2B2ωL3R+r.

（3）一个周期内，通电时间t=49T.

R上消耗的电能W=I2mRt，且W=I2RT，解得

I=4NBωL23（R+r）.

此题考生的得分情况并不理想，错因有以下几点：

错因1 在高中物理中线圈旋转切割磁感线是在学习正弦交流电时出现的，电动势的计算需要用到线圈匝数N，线圈面积S，转动角速度ω，在本题中这些量相应都有，引导考生往正弦交流电思考.

错因2 正弦交流电产生原理是建立在线圈切割的匀强磁场的模型上，而本题线圈两条边的经过处的磁磁感应强度大小均为B，误导考生将匀强磁场和均匀辐向磁场混为一谈，误认为正弦交流电的问题.

错因3 本题线圈切割磁感线时产生的是恒定电流，按常理感应电动势的大小用字母“E”表示即可，在正弦交流电中存在最大值并用“Em”表示，这种表达容易让考生联想到正弦交流电，从而出错.

错因4 在目前实施的教材中没有介绍辐向磁场，而感应恒定电流在现行教材中都是用导体棒切割匀强磁场产生，本题用均匀辐向磁场代替匀强磁场、线圈代替导体棒来产生恒定感应电流加深了思维难度，这反映了考生审题不清，灵活变通的能力较差.

例3 （1990年上海市高考题）如图4所示.边长为l和L的矩形线框aa′，bb′互相垂直，彼此绝缘，可绕中心轴O1O2转动，将两线框的始端并在一起接到滑环C，末端并在一起接到滑环D，C、D彼此绝缘.电阻R=2r，通过电刷跟C、D连接.线框处于磁铁和圆柱形铁芯之间的磁场中，磁场边缘中心的张角为45°，如图5所示（图中的圆表示圆柱形铁芯，它使磁铁和铁芯之间的磁场沿半径方向如图箭头所示）不论线框转到磁场中的什么位置，磁场的方向总是沿着线框平面，线框长为l的边所在处的磁感强度大小恒为B，设线框aa′和bb′的电阻都是r，两个线框以角速度ω逆时针匀速转动.

（1）求线框aa′转到图5位置时，感应电动势的大小.

（2）求转动过程中电阻R上的电压最大值.

（3）从线框aa′进入磁场开始时正确作出0-T（T是线框转动周期）时间内通过R的电流强度iR随时间变化的图象.

（4）求外力驱动两线框转动一周所做的功.

解析 （1）根据磁场分布特点，线框不论转到磁场中哪一位置，切割磁感线的速度始终与磁场方向垂直，故线框aa′转到图5所示位置时，感应电动势的大小.

（2）线框转动过程中，只能有一个线框进入磁场（作电源），另一个线框与外接电阻R并联后一起作为外电路，其等效电路如图6所示，其电源内阻为r，外电路总电阻

（4）因每个线框作为电源时产生的总电流和提供的功率分别为

电磁铁的应用篇10

法拉第电磁感应定律是电磁学中的一个重要内容，在物理教材中，通过用条形磁铁插入、拔出串接了灵敏电流表的闭合线圈定性实验，分析插拔磁铁的快慢与灵敏电流表指针摆动的幅度关系，得出“闭合线路内，磁通量的变化率越大，线圈的匝数越多，产生的感应电动势也就越大”的结论．在此定性实验的基础上，教材中直接引出了法拉第电磁感应定律．显然，上述方法省略了“E与n、ΔΦ/Δt成正比关系:E=nΔΦ/Δt，E:感应电动势(V)，n:感应线圈匝数，ΔΦ/Δt:磁通量的变化率”这一量化结论的实验研究过程．由于采用手动操作改变ΔΦ/Δt，并且灵敏电流表的指针是瞬时晃动的，实验操作、观察都存在一定的局限．本文用充磁器和可拆交流演示变压器分别设计并实现电磁感应的定性和定量实验．充磁器结构简单，重量轻、操作方便，在物理实验室中主要是为给条形磁铁充磁，也可为U形磁铁充磁，是学校实验室中必备的器材，一种器材多种用途，它产生磁场的磁感应强度比一般永久式磁铁高许多，因此，可以用来定性地演示许多电磁学实验，它是定性实验电磁感应较好的方法．常见的定性实验不能进行进一步的探究．利用可拆交流演示变压器可以定量进行试验研究，通过反复实践，设计出了验证法拉第电磁感应定律的创新实验方法．

1用充磁器实现电磁感应实验设计

1．1充磁器

充磁器是一种快速饱和充磁设备，是一种多种用途器材，它的作用就是给磁铁上磁，磁铁在刚生产出来，并不具备磁性，必须通过充磁器充磁后才能带磁．充磁器示意图如图1所示，由于充磁器结构上的原因，每次实验通电时间一般不超过几秒钟，否则，升温过快会损坏充磁器．

1．2用充磁器定性的演示法

拉第电磁感应定律(1)将合适的U形软铁棒套上事先绕上两组不同匝数线圈的纸筒，线圈匝数分别为n1和n2(n2＞n1)，然后插入充磁孔内固定，如图2所示，接通充磁器电源，可见连在匝数线圈为n2上的演示电表V2指针摆幅大些，说明感应电动势和线圈匝数n成正比关系E∝n．(2)将合适软铁棒放入充磁孔内，让连有演示电表V1(或V2)的线圈n1(或n2)分别快速、慢速穿入软铁棒，可见演示电表指针摆动幅度大些、小些，说明感应电动势与闭合线圈内磁通量的变化率成正比关系E∝ΔΦ/Δt．

2用可拆交流演示变压器设计电磁感应实验

2．1实验原理与实验设计

根据变压器的工作原理，当交流电通过原线圈n1时，闭合铁芯中将产生峰值稳定交流变化的磁通量变化率ΔΦ/Δt．如果水平移动变压器上端的横铁轭，铁芯不再完全闭合，一部分磁感线外泄，使铁芯中的ΔΦ/Δt变小，如图3所示．按照上述操作，可改变ΔΦ/Δt的大小．若抽动横铁轭到某一固定位置不动，此时的ΔΦ/Δt比较稳定．

2．2实验过程的实现

为了操作方便，将副线圈放在右手侧，同时在实验中注意安全，勿用身体接触原线圈中的交流电，实验过程如下:

2．2．1定性探究感应电动势E与磁通量变化率ΔΦ/Δt之间的关系如图3所示，将多用表V调至交流电压10V档，与4．5V小灯泡并联，串接到副线圈n2，原线圈n1接入交流220V．当横铁轭完全闭合在铁芯上时，多用表电压档测出副线圈中产生4．5V的感应电压．将横铁轭从原线圈端向左缓慢地水平移动，4．5V小灯泡逐渐变暗，当横铁轭移动离铁芯约4mm时，观察电压读数降到3V左右．利用上述直观的现象，通过思考该现象产生的原因并进行分析验证，可以得出结论:感应电动势E与横铁轭的水平移动有关，横铁轭的移动快慢不同，使磁通量变化快慢不同，产生的电动势大小也不同．磁通量变化快慢类比于速度变化快慢，用ΔΦ/Δt表示，电动势大小与ΔΦ/Δt有关，ΔΦ/Δt越小(大)，E越小(大)．

2．2．2定量探究感应电动势E与匝数n的正比关系去掉副线圈，换上长导线缠绕在铁芯上替代副线圈，将导线两端与小灯泡串接成闭合线路，并将多用表与小灯泡并联．将横铁轭开口距离调至约4mm后固定不变，开始缠绕导线，由于在n2铁芯上下位置不同，ΔΦ/Δt略有差异，所以选择在n2铁芯下部的同一位置附近缠绕导线，随着缠绕在铁芯上的线圈匝数增多，可观察到小灯泡从不亮到亮的变化过程:在线圈绕到第6匝时，小灯泡微微发光;当线圈绕到25匝左右时，小灯泡已经比较亮了．在绕线过程中，观察多用表上交流电压读数，发现每多绕一匝导线，感应电动势约增大0．1V，可得出感应电动势E与匝数n的定量关系．同时观察到:从铁芯上逐渐解开缠绕的导线到第4匝时，小灯泡仍微微发光，而在缠绕到第4匝时，小灯泡却并不发光，说明有自感作用．通过上述实验，进一步进行分析探究:假设每一匝线圈内的磁通量的变化率为ΔΦ1/Δt，对应产生的感应电动势为E1，则每多绕一匝线圈，ΔΦ/Δt就增大一个单位ΔΦ1/Δt，线路中感应电动势也增大一个E1，由此得出量化的结论:电路中感应电动势的大小，跟磁通量的变化率成正比．即E∝ΔΦ/Δt，E=kΔΦ/Δt(1)若E、ΔФ、Δt均取国际单位，上式中k=1，由此得出E=ΔΦ/Δt(2)若闭合电路有n匝线圈，则E=nΔΦ/Δt(3)

3结束语