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第9章 电磁体及其应用

磁铁,顾名思义,是一种可以把铁这种金属吸起来的一种物体。电磁铁可比磁铁更有用,因为它不只可以把铁这种元素吸来,还可以把其他金属吸起来。那电磁铁是一种什么东西呢?

内部带有铁心的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁,通常制成条形或蹄形。电磁铁主要由线圈、铁心及衔铁三部分组成,铁心和衔铁一般用软磁材料制成。铁心一般是静止的,线圈总是装在铁心上。开关电器的电磁铁的衔铁上还装有弹簧。当线圈通电后,铁心和衔铁被磁化,成为极性相反的两块磁铁,它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时,衔铁开始向着铁心方向运动;当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时,电磁吸力小于弹簧的反作用力,衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。

电磁铁是利用载流铁心线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置,以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一种电磁元件。电磁铁有许多优点:电磁铁磁性的有无,可以用通、断电流控制;磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制。电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。电磁铁是电流磁效应(电生磁)的一个应用,与生活联系紧密,如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等。

1822年,法国物理学家阿拉戈和吕萨克发现,当电流通过其中有铁块的绕线时,它能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1823年,斯特金也做了一次类似的实验:他在一根并非是磁铁棒的U形铁棒上绕了18圈铜裸线,当铜线与伏打电池接通时,绕在U形铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场,这样就使U形铁棒变成了一块“电磁铁”。这种电磁铁上的磁能要比永磁能放大多倍,它能吸起比它重20倍的铁块;而当电源切断后,U形铁棒就什么铁块也吸不住,重新成为一根普通的铁棒。

斯特金的电磁铁发明,使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景。这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来。

1829年,美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新,绝缘导线代替裸铜导线,因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层,就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起,由于线圈越密集,产生的磁场就越强,这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年,亨利试制出了一块更新的电磁铁,虽然它的体积并不大,但它能吸起1吨重的铁块。

电磁起重机

在现代社会中电磁铁有着极其广泛的应用,我们日常生活和生产中用到的电风扇、吸尘器、电铃、吹风机、抽水机、洗衣机、果汁机、搅拌机、电冰箱、冷气机、割草机等无一不是利用了电磁铁的原理。

电铃、电动机(马达)、电话等,都利用电磁铁产生动作。

电铃的构造如下图,其包含几个主要的设计:①电磁铁;②弹簧片。

电铃的构造

当电路接通电源时,电磁铁通电,对簧片产生吸引力,簧片向磁铁运动时,锤头敲击电铃发出声音,与此同时,动片和静片接触。

当电路成断路状态时,电磁铁失去磁性,簧片不受吸引力,会在弹力作用下自动弹回原处,动片与静片脱离接触,电流重新经过电磁铁流向灯泡再形成回路。电磁铁又开始工作吸引簧片,锤头再次敲击铃铛。

周而复始,电铃不断地被敲响。

录音带可以把声音录下来,计算机的硬盘可以把数据记录下来,这些都是利用磁头的电磁铁改变录音带和磁盘上磁性物质的性质而达到这些效果的。

录音机的出现,最早可追溯至1877年美国发明大王爱迪生发明留声机。爱迪生将声波变换成金属针的震动,并刻录于锡箔上,利用锡箔与金属针实现了录音。1896年时丹麦的年轻电机工程师波尔森将音波转为电流,再转换为磁力实现了磁录音,并于1898年获得专利。但是录音机的真正流行还是在发明磁带以后。1935年德国科学家福劳耶玛发明了磁带,在醋酸盐带基涂上氧化铁,正式替代了钢丝。1962年荷兰飞利浦公司发明盒式磁带录音机。

扬声器

扬声器应用了电磁铁来把电流转化为声音。

扬声器又称“喇叭”。是一种十分常用的电声换能器件,它将声音电信号转换成声音。扬声器发声是靠通过以交变电流信号的线圈产生交变磁场,吸引排斥磁盘,引起振膜、纸盆振动,再通过空气介质传播声音。

扬声器同时运用了电磁铁和永久磁铁。假设现在要播放C调(频率为256赫,即每秒振动256次),唱机就会输出256赫的交流电。换句话说,在一秒钟内电流的方向会改变256次。每一次电流改变方向时,电磁铁上的线圈所产生的磁场方向也会随着改变。我们都知道,磁力是“同极相斥,异极相吸”的,线圈的磁极不停地改变,与永久磁铁一时扬声器结构示意图相吸,一时相斥,产生了每秒钟256次的振动。线圈与一个薄膜相连,当薄膜与线圈一起振动时,便会推动了周围的空气。振动的空气,不就是声音吗?这就是扬声器的工作原理了。

电磁铁除了可以将电转换成磁力,还可以将磁力的变化转换成电力。在同一根铁心上,用两组线圈做两个电磁铁,其中一个输入交流电(电流方向会不断变化的电),另一组电磁铁的两端就会有电压输出。输出电压的大小与线圈圈数有关,圈数越多,电压越高。利用这样的原理可以制造提高或降低电压的各种变压器。

变压器是一种常见的电气设备,可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压,也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。

发电厂欲将P=3UIcosφ的电功率输送到用电的区域,在P、cosφ为一定值时,若采用的电压愈高,则输电线路中的电流愈小,因而可以减少输电线路上的损耗,节约导电材料。所以远距离输电采用高电压是最为经济的。目前,我国交流输电的电压最高已达1000千伏。这样高的电压,无论从发电机的安全运行方面或是从制造成本方面考虑,都不允许由发电机直接生产。发电机的输出电压一般有315千伏、63千伏、105千伏、1575千伏等几种,因此必须用升压变压器将电压升高才能远距离输送。电能输送到用电区域后,为了适应用电设备的电压要求,还需通过各级变电站(所)利用变压器将电压降低为各类电器所需要的电压值。

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