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什么是电磁铁,它是如何工作的?

电磁铁:确切定义

当电流通过导电线(如铜线)流经包裹在可以接受磁场的芯(金属杆)周围的导线时,电磁铁会产生一个磁场。

虽然“永久”磁铁的磁场始终包围着磁铁,但电磁铁只有在电流通过时才存在磁场。你可以打开或关闭电磁铁。

磁铁是什么:完整解释

基于这一点,磁铁,也被称为永久磁铁,始终会产生一个磁场。例如,永久磁铁是由铁、钴或镍等铁磁材料制成的。

铁磁材料中的原子结构“朝向”和“指向”相同方向。此外,铁磁材料的取向使其能够磁化。

原子分组将形成自己的磁区,即正磁区或负磁区。然而,磁区是随机的。在下面左侧的图像中(“未磁化材料”),你可以看到磁区的随机方向。

磁区是材料内部的一个区域,在这个区域内,磁矩的群体以相同的方向排列。

©osweetnature/shutterstock.com

未磁化材料可以被磁化。最常见的制造磁铁的方法是粉末冶金(pm)。

  • 元素被研磨成细粉。
  • 粉末在模具内加热和压缩。模具可以是任何需要的形状,如“u”形、扁平的“盒子”形状等。
  • 在加热和压实阶段施加磁场(调整场),调整场“准备”磁铁接受磁电荷。
  • 当新形成的磁铁(缺乏任何磁性)受到磁力作用时,过程就完成了。新形成的“几乎是磁铁”的磁铁靠近一个更大的磁铁。位于“几乎是磁铁”原子中的电子会定向自己的自旋以使其与更大磁铁的磁场匹配。
  • “几乎是磁铁”现在是一个永久磁铁。对永久磁铁的合理期望是它每年会失去大约百分之一的磁场。如果你好好保养你的磁铁,它会持续很长时间。我们稍后会谈一下如何保养你的磁铁。

电磁铁是什么:完整解释

电磁铁是一种根据流过它的电流产生一个不可见磁场强度的磁铁。虽然永久磁铁始终具有一个磁场,但只有在电流通过时,电磁铁才具有一个磁场。

永久磁铁具有恒定的磁场,但电磁铁在电流停止时将不再具有磁场。能够控制磁场并增加或减弱其强度的能力使得电磁铁在常见的日常电子设备中非常受欢迎和广泛应用。

电磁铁是如何工作的?

电磁铁是一个金属块(将其视为一个芯),用一根长的导电线(通常是铜线)缠绕。当你引入电流(打开开关)时,电流在整个导线中流动。

通过盘绕导电线的电流产生磁场。磁场磁化金属芯。金属芯现在表现得像一个永久磁铁。当电流关闭时,芯不再具有磁性。

电磁铁通常由盘绕成线圈的导线组成。

©udaix/shutterstock.com

在上面的图像中,电池代表电流。电流从线圈的一端流入,即南极,然后从另一端流出电池,即北极。图示的南极和北极还代表了磁场的相反力量,即北极和南极。

电磁铁也被称为“临时磁铁”。当你断开电流时,临时磁铁会失去磁性。

如果我们在讨论电磁铁时不告诉你如何制造自己的电磁铁,那我们将非常遗憾!让我们制造一个电磁铁吧!它比你想象的要简单。

如何制造电磁铁?

虽然听起来很困难,但制造电磁铁实际上非常简单。

  • 第一步:找一些铜线;我们建议使用约12 awg的线。
  • 第二步:找一根铁钉,长度可能为三到四英寸。比较长的钉子比短的钉子更好!
  • 第三步:将铜线缠绕在铁钉上。不要将线重叠在自身上。
  • 第四步:剥掉铜线的两端并去掉绝缘层。每个线圈的两端露出约一英寸的裸线就可以了。

线圈中的电场在钉子周围产生磁场。

©blueringmedia/shutterstock.com

  • 第五步:将铜线的一端连接到电池的正极。将铜线的另一端连接到电池的负极。
    • 在上面的示意图中,显示了鳄鱼夹。这有点过头了。你可以使用电子胶带或手指进行连接。(这不是什么难题!)
  • 第六步:通过铜线从电池流过的电流使铁钉磁化。用一些回形针或订书钉试一下。
  • 第七步:电流通过线圈时,线圈会发热。留意你的手指,不要试图给你的宠物烙上印记。
  • 就是这样!只需要一些简单的工具和材料,你也可以制造一个电磁铁。很难想象,不久前还没有电磁铁。是谁发明了它们?

    谁发明了电磁铁?

    1825年,英国电气工程师威廉·斯特金发明了电磁铁。斯特金用一个马蹄形的铁块,用导线包裹着铁块制造了电磁铁。

    当电流通过导线时,马蹄成为磁化的。斯特金证明了电流通过线圈时磁场的强度增加。他用包裹有导线的七盎司电磁铁核心举起了一个九磅重的铁块。

    1830年,美国发明家约瑟夫·亨利通过拉长一英里的电线通电,激活了另一端的电磁铁,从而展示了电磁铁的使用方法。

    电线另一端的电磁铁(距离一英里)开始响起了铃声。从那时起,电报时代开始了。

    电磁铁的应用有哪些?

    自1825年发明以来,电磁技术已经取得了巨大的进步,但其原理至今仍然保持不变。电磁铁(字面意思)无处不在我们身边。

    我们敢打赌,在您读完这篇文章之前,您就能在您当前所处的地方十英尺范围内找到十个或十五个电磁应用!

    现实世界中的电磁铁示例

    如今,您很难在周围找不到使用电磁铁的地方。让我们开始列举一些吧!

    耳机和扬声器

    你知道耳机和扬声器里面有电磁铁吗?例如,你当前视线范围内有多少个耳机和扬声器(不要忘记你的手机)?(我们从办公桌上数到了十二个!)

    硬盘驱动器

    硬盘驱动器(hdd)包含一个读写头,用来磁化磁盘的部分区域(称为扇区)。每个区域都被赋予一个二进制值(0或1)。

    此外,硬盘上有旋转的盘片(看起来像cd),它们以高速旋转。因此,同一个读写头读取磁化的磁盘扇区。

    门锁

    你不需要找得太远,只需要看一下你家的前门,就能找到电磁锁。越来越流行的电磁门锁使用电流来激活门锁。

    电流被施加到门锁上,门锁就被激活(上锁)。只要电流从门锁上断开,门锁就被取消激活(解锁)。

    电动马达

    环顾你的家,你很难找到一个没有吸尘器、冰箱、搅拌机、洗衣机、电吹风、洗碗机或微波炉的。但你有意识到每个应用也都使用了电磁铁吗?

    重物搬运

    汽车废品场使用电磁铁来起重汽车并将其移动到废品场的其他位置。电磁铁在建筑工地上也是常见物品,用来拾起和运输钢板或废金属。

    磁共振成像

    电磁铁在磁共振成像(mri)中是常见的元器件。患者在强磁场中接受检查。首先,磁场刺激患者的质子。然后,质子开始失去平衡。

    当你取消磁场时,质子重新排列。mri设备可以帮助医生区分不同类型的软组织。mri可以帮助识别动脉瘤、中风、血栓和炎症等疾病!

    扫描电子显微镜

    电磁铁在扫描电子显微镜中起着关键作用。因此,扫描电子显微镜(sem)收集电子而不是光来创建放大图像。然后,一系列的电磁铁组合在一起,作为“镜头”将电子聚焦在一个收集器上。

    sem通过使用聚焦的电子束扫描样品表面来产生图像。

    ©lafayette-picture/shutterstock.com

    每天在科学、医学、制造业和教育中都会使用扫描电子显微镜。在上图中,一个扫描电子显微镜采集了一张惊人的苍蝇眼特写图像。电磁铁帮助聚焦图像。

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