電磁鐵概述

當(dāng)在通電螺線管內(nèi)部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管的磁場(chǎng)磁化。磁化后的鐵芯也變成了一個(gè)磁體，這樣由于兩個(gè)磁場(chǎng)互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。為了使電磁鐵的磁性更強(qiáng)，通常將鐵芯制成蹄形。但要注意蹄形鐵芯上線圈的繞向相反，一邊順時(shí)針，另一邊必須逆時(shí)針。如果繞向相同，兩線圈對(duì)鐵芯的磁化作用將相互抵消，使鐵芯不顯磁性。另外，電磁鐵的鐵芯用軟鐵制做，而不能用鋼制做。否則鋼一旦被磁化后，將長(zhǎng)期保持磁性而不能退磁，則其磁性的強(qiáng)弱就不能用電流的大小來(lái)控制，而失去電磁鐵應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)。

電磁鐵是可以通電流來(lái)產(chǎn)生磁力的器件，屬非永久磁鐵，可以很容易地將其磁性啟動(dòng)或是消除。例如：大型起重機(jī)利用電磁鐵將廢棄車(chē)輛抬起。

當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線的周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。應(yīng)用這性質(zhì)，將電流通過(guò)螺線管時(shí)，則會(huì)在螺線管之內(nèi)制成均勻磁場(chǎng)。假設(shè)在螺線管的中心置入鐵磁性物質(zhì)，則此鐵磁性物質(zhì)會(huì)被磁化，而且會(huì)大大增強(qiáng)磁場(chǎng)。

一般而言，電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電流大小、線圈圈數(shù)及中心的鐵磁體有關(guān)。在設(shè)計(jì)電磁鐵時(shí)，會(huì)注重線圈的分布和鐵磁體的選擇，并利用電流大小來(lái)控制磁場(chǎng)。由于線圈的材料具有電阻，這限制了電磁鐵所能產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，但隨著超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，將有機(jī)會(huì)超越現(xiàn)有的限制。 

電磁鐵分類

電磁鐵可以分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類型。如果按照用途來(lái)劃分電磁鐵，主要可分成以下五種：（1）牽引電磁鐵──主要用來(lái)牽引機(jī)械裝置、開(kāi)啟或關(guān)閉各種閥門(mén)，以執(zhí)行自動(dòng)控制任務(wù)。（2）起重電磁鐵──用作起重裝置來(lái)吊運(yùn)鋼錠、鋼材、鐵砂等鐵磁性材料。（3）制動(dòng)電磁鐵──主要用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)以達(dá)到準(zhǔn)確停車(chē)的目的。（4）自動(dòng)電器的電磁系統(tǒng)──如電磁繼電器和接觸器的電磁系統(tǒng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)的電磁脫扣器及操作電磁鐵等。（5）其他用途的電磁鐵──如磨床的電磁吸盤(pán)以及電磁振動(dòng)器等。

按電流分

1.交流電磁鐵

2.直流電磁鐵

按用途分

1.牽引電磁鐵

2.框架式電磁鐵

3.自保持電磁鐵

4.吸盤(pán)電磁鐵

5.旋轉(zhuǎn)電磁鐵

6.圓管電磁鐵

電磁鐵方向判斷

電磁鐵的磁場(chǎng)方向可以用安培定則來(lái)判斷。

安培定則是表示電流和電流激發(fā)磁場(chǎng)的磁感線方向間關(guān)系的定則，也叫右手螺旋定則。

(1)通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流方向，四指指向通電直導(dǎo)線周?chē)帕€方向。

(2)通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。 

電磁鐵優(yōu)點(diǎn)

電磁鐵有許多優(yōu)點(diǎn)：電磁鐵的磁性有無(wú)可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強(qiáng)弱或線圈的匝數(shù)多少來(lái)控制；也可通過(guò)改變電阻控制電流大小來(lái)控制磁性大小；它的磁極可以由改變電流的方向來(lái)控制，等等。即：磁性的強(qiáng)弱可以改變、磁性的有無(wú)可以控制、磁極的方向可以改變，磁性可因電流的消失而消失。

電磁鐵是電流磁效應(yīng)（電生磁）的一個(gè)應(yīng)用，與生活聯(lián)系緊密，如電磁繼電器、電磁起重機(jī)、磁懸浮列車(chē)、電子門(mén)鎖、智能通道匝、電磁流量計(jì)等。

電磁鐵歷史

早在1820年春天，丹麥的奧斯特在一次偶然之中就發(fā)現(xiàn)了這一原理。1822年，法國(guó)物理學(xué)家阿拉戈和呂薩克才發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過(guò)其中有鐵塊的繞線時(shí)，它能使繞線中的鐵塊磁化。這實(shí)際上是電磁鐵原理的最初發(fā)現(xiàn)。1823年，斯特金也做了一次類似的實(shí)驗(yàn)：他在一根并非是磁鐵棒的U型鐵棒上繞了18圈銅裸線，當(dāng)銅線與伏打電池接通時(shí)，繞在U型鐵棒上的銅線圈即產(chǎn)生了密集的磁場(chǎng)，這樣就使U型鐵棒變成了一塊“電磁鐵”。這種電磁鐵上的磁能要比永磁能放大多倍，它能吸起比它重20倍的鐵塊，而當(dāng)電源切斷后，U型鐵棒就什么鐵塊也吸不住，重新成為一根普通的鐵棒。

斯特金的電磁鐵發(fā)明，使人們看到了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的光明前景，這一發(fā)明很快在英國(guó)、美國(guó)以及西歐一些沿海國(guó)家傳播開(kāi)來(lái)。

1829年，美國(guó)電學(xué)家亨利對(duì)斯特金電磁鐵裝置進(jìn)行了一些革新，用磁電絕緣導(dǎo)線代替裸銅導(dǎo)線，因此不必?fù)?dān)心被銅導(dǎo)線過(guò)分靠近而短路。由于導(dǎo)線有了絕緣層，就可以將它們一圈圈地緊緊地繞在一起，由于線圈越密集，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)，這樣就大大提高了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。到了1831年，亨利試制出了一塊更新的電磁鐵，雖然它的體積并不大，但它能吸起1噸重的鐵塊。

電磁鐵性質(zhì)

直線電流的安培定則對(duì)一小段直線電流也適用。環(huán)形電流可看成許多小段直線電流組成，對(duì)每一小段直線電流用直線電流的安培定則判定出環(huán)形電流中心軸線上磁感強(qiáng)度的方向。疊加起來(lái)就得到環(huán)形電流中心軸線上磁感線的方向。直線電流的安培定則是基本的，環(huán)形電流的安培定則可由直線電流的安培定則導(dǎo)出直線電流的安培定則對(duì)電荷作直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)也適用，這時(shí)電流方向與正電荷運(yùn)動(dòng)方向相同，與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向相反。

電磁鐵應(yīng)用

(1)起重機(jī)：為工業(yè)用的強(qiáng)力電磁鐵，通上大電流，可用以吊運(yùn)鋼板、貨柜、廢鐵等。

(2)電話：下一節(jié)介紹。

(3)安培計(jì)、伏特計(jì)、檢流計(jì)

(4)電鈴等等。

(5)自動(dòng)化控制設(shè)備

(6)工業(yè)自動(dòng)化控制、辦公自動(dòng)化。

(7)包裝機(jī)械、醫(yī)療器械、食品機(jī)械、紡織機(jī)械等。

(8)電磁繼電器

(9)磁懸浮列車(chē)

電磁鐵注意事項(xiàng)

電磁鐵：利用電流的磁效應(yīng)，使軟鐵具有磁性的裝置。

(1)將軟鐵棒插入一螺線形線圈內(nèi)部，則當(dāng)線圈通有電流時(shí)，線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)使軟鐵棒磁化成暫時(shí)磁鐵，但

電流切斷時(shí)，則線圈及軟鐵棒的磁性隨著消失。

(2)軟鐵棒磁化后所生成的磁場(chǎng)，加上原有線圈內(nèi)的磁場(chǎng)，使得總磁場(chǎng)強(qiáng)度大為增強(qiáng)，故電磁鐵的磁力大于　天然磁鐵。

(3)螺線形線圈的電流愈大，線圈圈數(shù)愈多，電磁鐵的磁場(chǎng)愈強(qiáng)。

電磁鐵安培力

電流元I1dι 對(duì)相距γ12的另一電流元I2dι 的作用力df12為：

μ0 I1I2dι2 × (dι1 × γ12)

df12 = ── ───────────

4π γ123

式中dι1.dι2的方向都是電流的方向；γ12是從I1dι 指向I2dι 的徑矢。安培定律可分為兩部分。其一是電流元Idι（即上述I1dι ）在γ（即上述γ12）處產(chǎn)生的磁場(chǎng)為

μ0 Idι × γ

dB = ── ─────

4π γ3

這是畢薩拉定律。其二是電流元Idl（即上述I2dι2）在磁場(chǎng)B中受到的作用力df（即上述df12）為：

df = Idι × B

電磁鐵制作

簡(jiǎn)易的自制電磁鐵：

1.需要漆包線、鐵釘來(lái)作其本體；電池或電源供應(yīng)器供以電流。

2.注意事項(xiàng)：

要刮除漆包線末端的漆，或用火燒。

要以相同的方向纏繞漆包線。

要在漆包線的末端打結(jié)綁緊。

電磁鐵原理

1.圓形線圈通往電流形成的磁場(chǎng)

(1)線圈中心處的磁場(chǎng)方向可將線圈上某一小段導(dǎo)線視為直線，由安培右手定則判定之。

(2)通有電流的圓形線圈上每一小段電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在線圈內(nèi)都指向同一方向，故線圈內(nèi)的磁場(chǎng)較直導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大。

(3)圓形導(dǎo)線通入電流時(shí)，線圈外的磁場(chǎng)因各小段電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向不一致， 因此產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)較圈內(nèi)磁場(chǎng)弱。

(4)圓形線圈的電流愈大，半徑愈小，則線圈中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度即愈大。

(5)圓形線圈和圓盤(pán)形薄磁鐵的磁力線形狀相似。

2.螺線形線圈電流的磁場(chǎng)

(1)用一條長(zhǎng)導(dǎo)線繞成螺線形的長(zhǎng)線圈，相當(dāng)于由很多個(gè)圓形線圈所串聯(lián)而成，每一圓形導(dǎo)線在中心處所建立的磁場(chǎng)均為同向，可以增強(qiáng)效應(yīng)，故線圈中心處的磁場(chǎng)較單匝圓形線圈為強(qiáng)。

(2)線圈內(nèi)部磁力線形成方向相同的直線，在線圈約兩端磁力線則漸彎曲向外。

(3)螺線形線圈的磁力線特性與棒形磁鐵的磁力線相似，線圈內(nèi)的磁力線與線圈外方向恰相反。

(4)線圈內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度與線圈上的電流及單位長(zhǎng)度內(nèi)線圈的圈數(shù)成正比。3.螺線形線圈電流內(nèi)磁場(chǎng)方向的右手螺旋定則（安培定理）：以右手掌握住線圈，四指指向電流方向，大拇指所指的方向即為線圈內(nèi)磁力線方向。

電磁鐵失磁原因

發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不用，導(dǎo)致出廠前含在鐵芯中的剩磁失去，勵(lì)磁線圈建立不起應(yīng)有的磁場(chǎng)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常但發(fā)不出電，此類現(xiàn)象新機(jī)。或長(zhǎng)期不用的機(jī)組較多。

處理方法：1）有勵(lì)磁按鈕的按一下勵(lì)磁按鈕，2）無(wú)勵(lì)磁按鈕的，用電瓶對(duì)其充磁，3）帶一個(gè)燈泡負(fù)荷，超速運(yùn)轉(zhuǎn)幾秒鐘。^[3] 

磁能來(lái)源

低軸阻發(fā)電機(jī)在原理設(shè)計(jì)上雖然只能將50﹪左右的負(fù)轉(zhuǎn)矩磁能轉(zhuǎn)化為正轉(zhuǎn)矩磁能，但是所產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)矩也足以去抵消負(fù)轉(zhuǎn)矩了（因?yàn)閷?shí)際上是不可能將負(fù)轉(zhuǎn)矩磁能全部轉(zhuǎn)化為正轉(zhuǎn)矩磁能的）。

通過(guò)對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)的構(gòu)造及工作原理進(jìn)一步研究分析后，我們最終找到了突破口，既是在常規(guī)發(fā)電原理構(gòu)造的基礎(chǔ)上運(yùn)用“能量緩存轉(zhuǎn)移法”來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的；也就是將部分固定方向的感應(yīng)電流進(jìn)行暫存處理后，再在滯后的時(shí)間內(nèi)釋放，所釋放的能量不僅可以繼續(xù)輸出供給負(fù)載，而且在電樞續(xù)流繞組中所產(chǎn)生的附加磁能還可以對(duì)轉(zhuǎn)子做正功（產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩）。這就是低軸阻發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)矩磁能的來(lái)源。

電磁鐵失磁危害

發(fā)電機(jī)失磁故障是指發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有：轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁機(jī)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)誤跳、半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。

由于異步運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，由于出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子繞組電流增大，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，引起定、轉(zhuǎn)子繞組的附加發(fā)熱。分析表明，發(fā)電機(jī)失磁后對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身都會(huì)造成程度不同的危害，歸納起來(lái)有以下幾方面。

對(duì)發(fā)電機(jī)本身的危害：

（1）發(fā)電機(jī)失磁后，定子端部漏磁增強(qiáng)，使端部的部件和端部鐵芯過(guò)熱。

（2）異步運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)的等效電抗降低，由 變?yōu)?。因而從系統(tǒng)中吸收的無(wú)功增加，使定子繞組過(guò)熱。

（3）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)的差頻電流在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生額外損耗，引起轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱。

（4）對(duì)大型直接冷卻式汽輪發(fā)電機(jī)，平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值較小，慣性常數(shù)也相對(duì)降低，轉(zhuǎn)子在縱橫軸方面明顯不對(duì)稱。由于這些原因，在重負(fù)荷下失磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和有功將發(fā)生劇烈擺動(dòng)。這種影響對(duì)水輪發(fā)電機(jī)更為嚴(yán)重。

對(duì)電力系統(tǒng)的危害：

（1）發(fā)電機(jī)失磁后，由于有功功率擺動(dòng)及系統(tǒng)電壓的降低，可能導(dǎo)致相鄰正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間失去同步，引起系統(tǒng)振蕩。

（2）發(fā)電機(jī)失磁造成系統(tǒng)中大量無(wú)功缺少，當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)功儲(chǔ)備不足，將引起電壓下降。嚴(yán)重時(shí)引起電壓崩潰，系統(tǒng)瓦解。

（3）一臺(tái)發(fā)電機(jī)失磁造成電壓下降，系統(tǒng)中的其他發(fā)電機(jī)在自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置作用下，將增加其無(wú)功輸出。從而使某些發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路過(guò)電流，后備保護(hù)可能因過(guò)流動(dòng)作，擴(kuò)大了故障范圍

電磁鐵與永久磁鐵對(duì)比

永久磁鐵和電磁鐵均能制造得產(chǎn)生不同形式的磁場(chǎng)。在選擇磁路時(shí)，首先考慮的是你需要磁鐵做的工作。在用電不方便、經(jīng)常發(fā)生斷電或沒(méi)有必要調(diào)整磁力的場(chǎng)合下，永久磁鐵占優(yōu)勢(shì)。對(duì)于要求改變磁力或需要遙控的用途來(lái)說(shuō)，電磁鐵是有益的。磁鐵只能以最初的預(yù)定方式加以使用，倘若把錯(cuò)誤類型的磁鐵應(yīng)用到某個(gè)特殊用途，可能極其危險(xiǎn)甚至是致命的。

許多加工操作在厚重的塊形材料上進(jìn)行，這些用途需要永久磁鐵。許多機(jī)械工廠的用戶認(rèn)為，這些磁鐵的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要電氣連接。

永久磁鐵以330~10,000磅升舉能力為特色，而且只須旋轉(zhuǎn)一個(gè)手柄就能接通或斷開(kāi)磁路。磁鐵一般裝有安全鎖，確保磁鐵不會(huì)在提升時(shí)意外斷開(kāi)。磁鐵組可以用于比較重、而且單個(gè)磁鐵應(yīng)付不了的長(zhǎng)載荷。

還有，在很多時(shí)候準(zhǔn)備加工的零件非常細(xì)(0.25英寸或更細(xì))，而且要從一堆相似的零件中提取出來(lái)。永久磁鐵不適合于每次從一堆零件中只提一件的工作。永久磁鐵盡管在正確使用的情況下極其可靠，但是不能改變磁力大小。在這個(gè)方面，電磁鐵通過(guò)可變電壓控制裝置使操作者能夠控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且能夠從堆碼的零件中選出一件。自含式電磁鐵是按單位升舉能力最劃算的磁鐵，其升舉能力可以延伸到10,500磅。

由蓄電池供電的磁鐵是有用的，它們采用自含式膠體蓄電池增大升舉能力，而且可以處理扁形、圓形和構(gòu)件形狀的產(chǎn)品。由蓄電池供電的磁鐵能重復(fù)完成提升的動(dòng)作，在沒(méi)有外接電源的情況下提供相當(dāng)大的升舉能力。

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