直流电磁铁的深度研究

电磁铁

由由线圈包围的磁性材料的磁芯组成的装置，电流通过线圈使磁芯磁化。电磁铁用于需要可控磁体的地方，如在磁通量变化、反转或开关的装置中。

利用磁路的概念，将电磁铁的工程设计系统化。在磁路中，磁动势F或Fm被定义为线圈的安培匝数，线圈产生磁场从而在电路中产生磁通量。因此，如果每米n匝的线圈携带电流i安培，线圈内部的磁场是每米ni安培，它产生的磁动势是零安培匝，其中l是线圈的长度。更方便的是，磁动势是Ni，其中N是线圈中的总匝数。磁路中的磁通量密度B与电路中的电流密度B是等效的。在磁路中，与电流等效的磁场是总通量，用希腊字母phi表示，ϕ，由BA给出，其中A是磁路的横截面积。在电路中，电动势(E)与电路中的电流i的关系是:E=Ri，其中R是电路的电阻。在磁路中F=rϕ，其中r为磁路的磁阻，等效于电路中的电阻。磁阻是磁路长度l除以磁导率乘以横截面积A得到的;因此，r=l/μa，即希腊字母mu，μ，表示形成磁路的介质的磁导率。磁阻的单位是安培匝数/韦伯。这些概念可以用来计算磁路的磁阻，从而计算通过线圈所需要的电流，以迫使所需的磁通通过该电路。

然而，在这种类型的计算中涉及的几个假设，使它最多只能作为设计的近似指导。可磁介质对磁场的影响可以被看作是把磁力线挤进它自己。相反，从高渗透性区域传递到低渗透性区域的力线倾向于散开，这种情况将发生在气隙。因此，与单位面积上力线数量成正比的通量密度，将因间隙两侧的力线凸起或边缘而在气隙中减少。间隔越长，这种效果越明显;粗略的修正可以考虑到边缘效应。

也假定磁场完全局限在线圈内。事实上，总有一定量的漏磁，表现为围绕在线圈外面的磁力线，它对铁芯的磁化没有贡献。磁芯的磁导率较高时，漏磁一般较小。

在实践中，磁性材料的磁导率是其磁通密度的函数。因此，只有在实际的磁化曲线，或者更有用的是μ对B的图是可用的情况下，才能对实际材料进行计算。

最后，设计假设磁芯没有磁化到饱和。如果是这样，在这种设计中，无论线圈通过多少电流，磁通密度都不能增加。在接下来关于特定设备的几节中，将进一步扩展这些概念。

图一

螺线管

螺线管通常是一个长线圈，电流通过它流过，建立磁场。更狭义地说，这个名字指的是一种机电装置，它在通电时产生机械运动。在其最简单的形式，它由一个铁框包围线圈和一个圆柱柱塞在线圈内移动，如图1所示。对于交流电电源，坚固框架中的铁损耗限制了效率，采用了叠层框架，叠层框架由一堆切割成适当形状的薄铁片组成，并在每个铁片之间堆叠一层绝缘清漆。当线圈通电时，柱塞通过它和框架之间的磁力吸引移动到线圈中，直到它与框架接触。

交流螺线管往往在完全开启的位置比直流电单元更强大。这是因为初始电流高，因为线圈的电感，是由柱塞和框架之间的空气间隙降低。当电磁阀关闭时，这个气隙减小，线圈的电感增加，通过它的交流电下降。如果交流螺线管在开路位置，线圈很可能烧坏。

当电磁阀完全打开时，它有一个很大的气隙，在给定的磁动势下，这个气隙的高磁阻使磁路中的磁通保持较低，柱塞上的力也相应较低。当柱塞关闭时，磁阻下降，磁通增加，因此力逐渐增加。螺线管的制造商提供力-行程曲线，以便用户可以根据其目的选择适当的单位。曲线可以通过弹簧加载柱塞进行修改，以便整个冲程提供的力可以与特定的机械负载相匹配。

图二

继电器

继电器是一种应用电磁原理来打开和关闭光电流电路的装置。应用于大电流电路中的相同装置被称为接触器或断路器。

由于所需的机械移动量一般较小，电磁柱塞通常是静止的，部分机座铰接以给予必要的运动。这种安排如图2所示。当线圈通电时，框架的铰接部分被线圈中的固体铁芯所吸引;这种吸引力将联系人推到了一起。当通电电流被移开时，铰链部分被触点的弹性强迫回到开启位置。

图三

随着晶体管开关电路的出现，它使用的功率非常低，需要一种可靠地工作在功率为100到300毫瓦的继电器，而传统继电器的功率为4毫瓦。图3所示的簧片继电器或簧片开关满足了这一需求。它由两个50-50镍铁合金的扁平叶片组成，它们之间有一个间隙重叠在一起。当沿着叶片的长度施加磁场时，重叠部分会感应到相反的磁极，它们被吸引在一起，产生电接触。在去除磁场时，接触刀片的弹性打开接触。每个刀片的重叠区域都镀上金，以保证良好的电接触，封闭的玻璃胶囊内充满干燥的氮气，以防止腐蚀。操作该器件所需的磁场是重叠量的函数，并且存在与最小操作电流所需对应的最佳重叠。

目前电话设备中使用的簧片开关是由高达50伏的直流电流操作的。通常，簧片闭合时58安培匝，释放时15安培匝，保持电流为27安培匝。触点闭合可以在2毫秒内提供稳定的触点电阻，在100微秒内释放，并且具有超过5000万次操作的寿命。使用35000转线圈线圈电阻通常是18,600欧姆，因此在50伏的电流是2.7毫安。最小工作条件仅需要1.7毫安，因此该继电器可以在较低的电压下工作。

通过使用小型的外部永磁体，簧片开关可以制成闭锁继电器，当激励场被移除时保持闭合。它们也可以设计为三个叶片，以提供转换接触。

大型电磁铁设计

几乎每一个科学研究实验室迟早都会发现，它需要一种产生大磁场的设备。许多先进技术同样需要大型电磁铁。例如，回旋加速器是一种用于科学研究的设备，在该设备中，带电的亚原子粒子被恒定磁场中的交变电场加速。它使用一个大磁铁来产生中等强度的磁场，但磁极直径可能有几米。一些工业使用巨大的、高功率的电磁铁来提升物体。

图四

前面讨论了大型电磁铁的基本设计原则。困难出现在试图估计跨越气隙的边缘通量和线圈周围的泄漏通量的大小。通过使用锥形的核心和极帽，它们的影响被最小化;典型的实验室磁体如图4所示。由于软铁在2.16韦伯每平方公尺饱和，空气间隙中的磁通密度一般限制在铁质磁体的2.1韦伯每平方公尺范围内。

当设计用于起重或承载时，电磁铁可能需要有一个单独的暴露极面，以便承载负载，因此电磁铁将具有条形磁铁的形状。然后设计由退磁场主导。经过适当设计的磁铁可以举起自身重量的许多倍，在炼钢厂和废品处理场普遍使用。

主应用程序

电磁铁有各种各样的用途。下面总结几个主要应用领域(通信、研究、电气工业和磁记录)中一些重要器件的工作原理。

现代电话系统基于簧片继电器，以及用于复杂布线的固态电路。电话接收器基本上是一个带有u形线圈的电磁铁，u的每条腿上都绕着线圈。电信号通过线圈时，会引起离u两端有一小段距离的软铁振膜的磁力吸引。振膜的偏转量与线圈中电流的大小成比例，并在来回移动时产生声波。磁性材料的改进增加了电话接收器的灵敏度，但基本设计仍未改变。

扬声器的功能与电话听筒的耳机相同，但需要排开更大体积的空气。膜片包括一个大面积的柔性锥，在其顶端的一个小环上携带一圈细金属丝。这个环位于一个强大的圆柱状永久磁铁的两极之间。音频电流通过线圈导致隔膜偏转，如在耳机中。由于永磁体材料的改进，现代扬声器比以前的扬声器更加灵敏和高效。间隙内的通量密度越大，繁殖的敏感性和保真度就越高;现代扬声器使用的磁通密度高达每平方公尺一韦伯。通常使用合金磁体。

磁场提供了一个强有力的研究工具，没有它，现代物理学很难发展到现在的程度。应用的一个主要领域是磁场和带电亚原子粒子的相互作用。一个移动的带电荷的粒子，如电子，可以看作是一种电流，并且像带电流的导线一样，在磁场中受到一种力。力的方向垂直于粒子的运动方向，也垂直于磁场，因此粒子偏离了原来的路径。这一原理可以用来将电子流聚焦成一束窄电子束，并通过创造合适的磁场来偏转电子束，磁场可以来自永磁体，也可以来自电磁铁。每个电视接收器都包含这样的聚焦和偏转系统，用电子束扫描电视管的表面。

在科学应用中，同样的原理也用于电子显微镜，在电子显微镜中，电子束通过一系列磁性“透镜”，就像在传统显微镜中光通过玻璃透镜一样。

如上所述，回旋加速器利用磁场使带电粒子执行圆形路径。在每一次绕圆周运动时，它们都被加速，最终获得巨大的动能(运动能量)。回旋加速器一直是核研究和放射性同位素生产的重要工具。

同样的原理也可用于质谱仪的材料分析。在磁场中移动的带电粒子的实际偏转是由它的电荷、质量和速度决定的。在质谱仪中，被研究的物质是以被固定电场加速的电离粒子气体的形式存在的。在通过磁场时，粒子的偏转量是由它们的质量决定的，前提是它们都携带相同的电荷。通过记录粒子到达固定目标的位置，可以推导出粒子的质量。

电力工业是以磁场的产生和利用为基础的。所述电动马达基于在载流导体上产生的力;这种发电机是基于在磁场中运动的导体产生感应电流的反向效应。一般来说，在电机和发电机的磁路中需要高通量密度，这一要求导致使用软铁或硅铁电磁铁作为它们中的磁场源。然而，随着现代永磁体材料的出现，由永磁体提供领域的小型直流电动机正在寻找广泛的应用，特别是在玩具行业(见magnet)。

磁记录的原理是通过要记录的信号使材料产生永久磁化。感应的磁化强度必须与信号的振幅成正比，并且当信号去除时必须保持在材料中。因此，磁性材料需要具有高磁导率，以便它在小磁场中容易磁化;高剩余磁化强度，使所存储的信息可轻松“读取”;而且强制力度不能太高(但也不能太低)，这样存储的信息可以毫不费力地被删除。

最常见的磁记录器使用磁带。它以恒定的速度靠近一个记录磁头，该磁头可能由一个u形磁轭组成，每个臂上绕有线圈。由于线圈中的电流根据要记录的音频信号而变化，因此在磁带中感应到不同的磁化强度。为了回放记录的信息，磁带通过线圈或靠近线圈，这样磁带的磁通量就会切断线圈的电线，并在线圈中感应出音频电流。通过带高频信号的记录磁头，磁带可以被擦除，这种高频信号具有使磁带消磁的效果。

计算机信息对于磁存储来说是一种特别简单的形式，因为它由一系列具有标准振幅的电脉冲组成。这种磁带的材料要求不像录音那样严格，重要的特点是磁带不能自发消磁。许多计算机已经用在记录磁头下旋转的合金磁碟代替了磁带存储。信息可以以比在磁带中更高的密度存储(单位面积的比特数)，并且通过在磁盘上沿径向遍历读取头，可以使存取信息的速度更快。