电磁铁

可以通过将线圈绕在软铁芯（如大钉子）上来创建一个简单的电磁铁

电磁铁是一种临时磁铁，其磁场由电流产生，并且为了集中磁场，电磁铁的导线被绕成线圈。

我们现在从之前的教程中知道，一个直的载流导体在其长度上的所有点周围都会产生一个圆形磁场，并且这个磁场的旋转方向取决于通过导体的电流方向，即左手定则。

在关于电磁学的最后一个教程中，我们看到，如果我们将导体弯曲成一个单环，电流将通过环在相反方向上流动，产生一个顺时针场和一个逆时针场。电磁铁利用这一原理，通过将几个单独的环磁性地连接在一起，形成一个线圈。

电磁铁基本上是线圈，当电流通过线圈时，它们表现得像条形磁铁，具有明显的北极和南极。每个单独的线圈环产生的静态磁场与其相邻的环相加，组合的磁场像我们在上一个教程中看到的单环一样集中在线圈的中心。产生的静态磁场在一端有一个北极，在另一端有一个南极，是均匀的，并且在线圈的中心比外部强得多。

电磁铁周围的力线

电磁线圈

产生的磁场以条形磁铁的形式拉伸，给出一个独特的北极和南极，磁通量与线圈中流动的电流量成正比。如果在同一线圈上绕上额外的导线层，并且相同的电流流动，磁场强度将会增加。

因此可以看出，在任何给定的磁路中可用的磁通量与通过它的电流和线圈中的导线匝数成正比。这种关系被称为磁动势或m.m.f.，定义为：

磁动势方程

磁动势表示为电流I通过N匝线圈。因此，电磁铁的磁场强度由线圈的安培匝数决定，线圈中的导线匝数越多，磁场强度越大。

电磁铁的磁强度

我们现在知道，当两个相邻的导体载流时，根据电流流动的方向建立磁场。这两个场的相互作用使得两个导体受到机械力。

当电流在同一方向上流动（线圈的同一侧）时，两个导体之间的场较弱，导致吸引力，如上图所示。同样，当电流在相反方向上流动时，它们之间的场变得更强，导体被排斥。

导体周围的场强度与距离成正比，最强的点在导体旁边，离导体越远越弱。在单个直导体的情况下，流动的电流和距离是决定场强度的因素。

因此，计算“磁场强度”H（有时称为“磁化力”）的公式是从通过它的电流和距离推导出来的。

电磁铁的磁场强度

电磁铁的磁化力

其中：

H – 是磁场强度，单位为安培-匝/米，At/m

N – 是线圈的匝数

I – 是通过线圈的电流，单位为安培，A

L – 是线圈的长度，单位为米，m

总结一下，线圈磁场的强度或强度取决于以下因素。

线圈中导线的匝数。

线圈中流动的电流量。

核心材料的类型。

电磁铁的磁场强度还取决于所使用的核心材料类型，因为核心的主要目的是将磁通量集中在一个明确且可预测的路径中。到目前为止，只考虑了空气核心（空心）线圈，但在核心（线圈的中心）中引入其他材料对磁场强度有很大的控制作用。

电磁铁

使用钉子的电磁铁

如果材料是非磁性的，例如木材，为了计算目的，可以将其视为自由空间，因为它们具有非常低的磁导率值。然而，如果核心材料是由铁磁材料（如铁、镍、钴或它们的合金混合物）制成的，将会观察到线圈周围的磁通量密度的显著差异。

铁磁材料是那些可以被磁化的材料，通常由软铁、钢或各种镍合金制成。将这种类型的材料引入磁路中，具有集中磁通量的效果，使其更集中和密集，并放大线圈中电流产生的磁场。

我们可以通过将一段导线绕在一个大软铁钉上并连接到电池来证明这一点，如图所示。这个简单的课堂实验允许我们拾取大量的夹子或别针，并且我们可以通过在线圈上增加更多的匝数来使电磁铁更强。这种磁场强度的程度，无论是通过空心空气核心还是通过将铁磁材料引入核心，被称为磁导率。

电磁铁的磁导率

如果在电磁铁中使用具有相同物理尺寸的不同材料的核心，磁铁的强度将根据所使用的核心材料而变化。这种磁场强度的变化是由于通过中心核心的磁通量线的数量。如果磁性材料具有高磁导率，那么磁通量线可以很容易地产生并通过中心核心，磁导率（μ）是核心被磁化的容易程度的度量。

真空的磁导率的数值常数给出为：μo = 4.π.10-7 H/m，自由空间（真空）的相对磁导率通常给定值为一。这个值在所有涉及磁导率的计算中用作参考，所有材料都有其特定的磁导率值。

仅使用不同铁、钢或合金核心的磁导率的问题是，涉及的计算可能变得非常大，因此更方便通过它们的相对磁导率来定义材料。

相对磁导率，符号μr是μ（绝对磁导率）和μo自由空间的磁导率的乘积，给出为。

相对磁导率

相对磁导率方程

磁导率略低于自由空间（真空）并且对磁场具有弱负磁化率的材料被称为抗磁性材料，例如：水、铜、银和金。那些磁导率略高于自由空间并且本身仅被磁场轻微吸引的材料被称为顺磁性材料，例如：气体、镁和钽。

电磁铁示例No1

软铁芯的绝对磁导率给出为80毫亨/米（80.10-3）。计算等效的相对磁导率值。

相对磁导率

当铁磁材料用于核心时，使用相对磁导率来定义场强度可以更好地了解所使用的不同类型材料的磁场强度。例如，真空和空气的相对磁导率为一，而铁芯的相对磁导率约为500，因此我们可以说铁芯的场强度比等效的空心空气线圈强500倍，这种关系比0.628×10-3 H/m（500.4.π.10-7）更容易理解。

虽然空气的磁导率可能只有一，但一些铁氧体和坡莫合金材料的磁导率可以达到10,000或更多。然而，单个线圈可以获得的磁场强度有限，因为随着磁通量的增加，核心会变得严重饱和，这将在下一个关于B-H曲线和磁滞的教程中讨论。