需要整理一些废金属吗?电磁铁来救援!在这里，电磁铁被用来捡起大约 3，500 支被没收的枪支中的一些要熔化。 大卫·麦克纽/盖蒂图片社

　　破坏场、摇滚音乐会和你的前门有什么共同点?他们每个人都使用 电 磁铁，通过施加电力产生磁场的设备。破坏场使用极其强大的电磁铁将沉重的废金属甚至整辆汽车从一个地方移动到另一个地方。您最喜欢的乐队使用电磁铁来放大扬声器发出的声音。当有人按你的门铃时，一个微小的电磁铁将金属拍板拉到铃铛上。

　　从机械上讲，电磁铁非常简单。它由一段导电线(通常是铜)组成，缠绕在一块金属上。喜欢 弗兰肯斯坦的怪物，这似乎只不过是一个松散的零件集合，直到 电力 进入画面。但是，您不必等待暴风雨才能使电磁铁栩栩如生。从电池或其他电源引入电流，并流过电线。这会在线圈周围产生磁场，使金属磁化，就好像它是永磁体一样。电磁铁很有用，因为您可以通过分别完成或中断电路来打开和关闭磁铁。

　　在我们走得更远之前，我们应该讨论电磁铁与普通的“永久”有何不同 磁铁，就像那些拿着你的冰棒艺术放在冰箱里的人一样。如您所知，磁铁有两极，“北”和“南”，并吸引由 钢、铁或其某种组合.就像两极排斥和异性吸引(啊，浪漫与物理的交集)。例如，如果您有两个条形磁铁，其两端标记为“北”和“南”，则一个磁铁的北端将吸引另一个磁铁的南端。另一方面，一个磁铁的北端将排斥另一个磁铁的北端(同样，南方将排斥南端)。电磁铁也是一样，只是它是“暂时的” ——磁场只在电流流动时存在。

　　门铃是一个很好的例子，说明电磁铁如何用于永磁体没有任何意义的应用中。当客人按下前门上的按钮时，门铃内的电子电路会关闭一个电气回路，这意味着电路完成并“打开”。 闭合电路允许电流流动，产生磁场并导致拍板被磁化。大多数传统门铃的硬件由金属铃和金属拍板组成，当磁力使它们叮当响时，您会听到里面的铃声。铃声响起，客人松开按钮，电路打开，门铃停止地狱般的铃声。这种按需磁性使电磁铁如此有用。

　　在本文中，我们将仔细研究电磁铁，并发现这些设备如何采用一些非常酷的科学并将其应用于我们周围的小玩意，使我们的生活更轻松。

　　电磁铁的历史

　　英国物理学家和化学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在1830年左右使用的大型马蹄形电磁铁。

　　斯金格/霍顿档案/ 盖蒂图片社两者之间的关系 电力 和 磁性 直到1873年物理学家才被彻底研究。 詹姆斯·麦克斯韦 观察到正电荷和负电荷之间的相互作用[来源： 马洪].通过不断的实验，麦克斯韦确定这些电荷根据它们的方向相互吸引或排斥。他也是第一个发现磁铁有极点或电荷聚焦的单个点的人。而且，对于电磁学很重要，麦克斯韦观察到，当电流通过导线时，它会在导线周围产生磁场。

　　麦克斯韦的工作负责许多科学原理的工作，但他并不是第一个用电和磁进行实验的科学家。近50年前，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特德(Hans Christian Oersted)发现，当他实验室中的电池打开和关闭时，他正在使用的指南针会发生反应[来源： 格雷戈里].只有当存在磁场干扰指南针时，才会发生这种情况，因此他推断磁场是由电池流出的电流产生的。但奥斯特被化学领域所吸引，把电学和磁学的研究留给了其他人[来源： 马洪].

　　电磁学的鼻祖是 迈克尔·法拉第(迈克尔·法拉第)，一位化学家和物理学家，他构建了许多后来由麦克斯韦建立的理论。一个原因 法拉第 在历史上比麦克斯韦或奥斯特德更突出，可能是因为他是一位多产的研究者和发明家。他被广泛誉为电磁学的先驱，但他也因发现电磁感应而受到赞誉，我们将在稍后探索一些实际应用时讨论。法拉第还发明了 电动机，除了他在物理学方面有影响力的工作外，他还是第一个被任命为英国皇家学院富勒化学教授这一享有盛誉的人。不算太寒酸。

　　那么这些人的工作发现了什么呢?在下一节中，我们将了解电磁铁的工作原理。

　　电磁铁的粘附力

　　这张图显示了一个简单的电磁铁。

　　如何工作正如我们在介绍中提到的，基本的电磁铁并不是那么复杂;您可以 构造一个简单的 你自己使用你可能躺在房子周围的材料。导电线，通常是绝缘铜，缠绕在金属棒上。电线摸起来会变热，这就是为什么绝缘很重要的原因。缠绕电线的杆称为 螺线管，产生的磁场从该点辐射出去。磁铁的强度与线圈绕在杆上的次数直接相关。为了获得更强的磁场，电线应缠绕得更紧密。

　　好吧，还有更多的东西。导线缠绕在杆或芯上越紧，电流在其周围形成的环路就越多，从而增加磁场的强度。除了电线缠绕的紧密程度外，用于芯材的材料还可以控制 磁铁.例如，铁是 强磁性 金属，这意味着它是高度渗透的[来源： 波士顿大学]. 渗透性 是描述材料支撑磁场的另一种方式。某种材料对磁场的导电性越强，其磁导率就越高。

　　所有事项，包括 铁 电磁铁棒，由 原子.在螺线管通电之前，金属芯中的原子是随机排列的，不指向任何特定方向。当引入电流时，磁场穿透棒并重新排列原子。随着这些原子的运动，并且都朝同一个方向运动，磁场就会增长。原子的排列，磁化原子的小区域称为 域，随着电流水平的增加和减少，因此通过控制电流，可以控制磁铁的强度。当所有域都对齐时，就会出现饱和点，这意味着增加额外的电流不会导致磁性增加。

　　通过控制电流，您基本上可以打开和关闭磁铁。当电流关闭时，原子恢复到其自然的随机状态，棒失去磁性(从技术上讲，它保留了一些磁性，但不多，而且持续时间不长)。

　　使用普通的永磁体，就像那些将家里的狗的照片放在冰箱上的永磁体一样，原子总是对齐的，磁铁的强度是恒定的。您知道可以通过掉落永磁体来消除它的粘附力吗?撞击实际上会导致原子偏离排列。它们可以通过在其上摩擦磁铁再次被磁化。

　　这 电力 为电磁铁供电必须来自某个地方，对吧?在下一节中，我们将探讨这些磁铁获得汁液的一些方式。

　　将“电”放入“电磁铁”

　　这是基本电磁铁中的磁场外观。

　　既然电磁铁需要电流，那么它从何而来?快速的答案是，任何产生电流的东西都可以为电磁铁供电。从小AA 电池 用于您的电视遥控器到大型工业发电站，这些发电站拉动 电力 直接从 网 格，如果它存储和转移电子，那么它可以为电磁铁供电。

　　让我们先来看看家用电池是如何工作的。大多数电池有两个易于识别的极，正极和负极。当不使用电池时，电子聚集在负极。当电池插入设备时，两极与设备中的传感器接触，闭合电路并允许电子在两极之间自由流动。对于遥控器，该设备设计有 负荷或出口点，用于存储在电池中的能量 [来源： 格罗斯曼].负载将能量用于操作遥控器。如果您只是在没有负载的情况下将电线直接连接到电池的每一端，能量会迅速从电池中耗尽。

　　当这种情况发生时，移动的电子也会产生磁场。如果您将电池从遥控器中取出，它可能会保留少量磁电荷。你不能用遥控器取车，但也许一些小 铁 锉刀甚至回形针。

　　光谱的另一端是地球本身。根据我们之前讨论的定义，当电流流过某个铁磁芯时，就会产生电磁铁。地球的核心是铁，我们知道它有一个北极和一个南极。这些不仅仅是地理名称，而是实际相反的磁极。 发电机效应，由于液态铁在铁芯上的运动，这种现象会在铁中产生大量电流，从而产生电流。这种电流产生磁荷，这是自然的 磁性 地球是指南针工作的原因。指南针总是指向北方，因为金属针被北极的拉力所吸引。

　　显然，在小型自制科学实验和地球本身之间有广泛的电磁铁应用。那么，这些设备在现实世界中的哪个位置弹出?在下一节中，我们将看看我们的日常生活是如何受到电磁学的影响的。

　　我们身边的电磁铁

　　大型强子对撞机(LHC)中的电磁铁形状像一个巨大的下颚。它由两个 27 吨(24 公吨)线圈组成，安装在 1，450 吨(1，315 公吨)后膛中。 弗朗西斯·德曼格/盖蒂图片社

　　许多电磁铁比永磁体具有优势，因为它们可以很容易地打开和关闭，并且增加或减少 电力 围绕核心流动可以控制它们的力量。

　　现代技术严重依赖电磁铁来使用磁记录设备存储信息。将数据保存到传统 电脑硬盘，例如，微小的磁化金属片以特定于保存信息的模式嵌入到磁盘上。这些数据最初是作为二进制数字计算机语言(0和1)开始的。检索此信息时，模式将转换为原始二进制模式并转换为可用形式。那么是什么使它成为电磁铁呢?流经计算机电路的电流磁化了这些微小的金属碎片。这与录音机中使用的原理相同， 录像机 和其他基于磁带的介质(是的，你们中的一些人仍然拥有磁带卡座和录像机)。这就是为什么 磁铁 有时会对这些设备的记忆造成严重破坏。

　　如果您为手机或平板电脑无线充电，您可以每天使用电磁学。充电板产生磁场。您的手机有一个与充电器同步的天线， 允许电流流动.正如您可能想象的那样，此类设备内部的电磁线圈很小，但较大的线圈可以为电动汽车等较大的设备充电。

　　电磁铁也为真正利用电力的潜力铺平了道路。在电器中，电机移动是因为从墙上插座流出的电流会产生磁场。为电机供电的不是电力本身，而是磁铁产生的电荷。磁铁的力产生旋转运动，这意味着它们围绕固定点旋转，类似于轮胎绕轴旋转的方式。

　　那么，为什么不跳过此过程，只使用插座为电源供电 发动机 首先?因为为设备供电所需的电流非常大。你有没有注意到打开电视或洗衣机等大型电器有时会导致你家里的灯闪烁?这是因为设备最初会消耗大量能量，但只有启动电机时才需要大量能量。一旦发生这种情况，这个循环 电磁感应 接管。

　　从家用电器，我们正在转向一些有史以来最复杂的机械，看看电磁铁是如何被用来解开宇宙起源的。粒子加速器是以令人难以置信的高速推动带电粒子相互撞击的机器，以观察它们碰撞时会发生什么。这些亚原子粒子束非常精确，控制它们的轨迹至关重要，这样它们就不会偏离轨道并损坏机器。这就是电磁铁的用武之地。磁铁沿着碰撞光束的路径定位，它们的磁性实际上被用来控制它们的速度和轨迹[来源： 诺瓦教师].

　　对于我们的朋友电磁铁来说，简历还不错，是吧?从您可以在车库中创建的东西到操作科学家和工程师用来破译的工具 宇宙的起源，电磁铁在我们周围的世界中起着非常重要的作用。

　　准备好尝试自己的电磁实验了吗?继续阅读一些有趣的想法。

　　DIY电磁铁和实验尝试

　　电磁铁很容易制造;只需几件硬件和一个电源即可让您上路。首先，您需要以下项目：

　　一 铁 指甲，长度至少为 6 英寸(15 厘米)

　　长度为 22 号的绝缘铜线

　　一个 D 电池

　　获得这些物品后，请从铜线的每一端取下绝缘层，刚好足以提供与电池的良好连接。将铁丝缠绕在钉子上;你能把它包裹得越紧，磁场就会越强大。最后，连接 电池 通过将电线的一端连接到正极端子，一端连接到负极端子(电线的哪一端与哪个端子配对并不重要)。普雷斯托!工作电磁铁 [来源： 杰斐逊实验室].

　　动手电磁实验还不够?我们还有一些想法供您尝试：

　　什么是 磁 缠绕在钉子上的单个线圈的功率? 10 圈电线?100圈?尝试不同的转弯数，看看会发生什么。测量和比较磁铁“强度”的一种方法是查看它可以拾取多少订书钉。

　　磁铁的铁芯和铝芯有什么区别? 例如，将一些铝箔卷紧，并将其用作磁铁的核心，代替钉子。会发生什么?如果您使用塑料芯，例如笔怎么办?

　　螺线管呢? 电磁铁是电磁铁的另一种形式。它是一种电磁管，通常用于线性移动一块金属。找一根吸管或一支旧笔(取下墨管)。还要找到一个小钉子(或拉直的回形针)，很容易在管内滑动。在管子周围缠绕 100 圈电线。将钉子或回形针放在线圈的一端，然后将线圈连接到电池。注意到指甲是如何移动的吗?螺线管用于各种地方，尤其是锁。如果你的 汽车有电动锁，它们可以使用电磁阀操作。使用螺线管的另一个常见做法是用薄的圆柱形永磁体代替钉子。然后，您可以通过改变螺线管中磁场的方向来移入和移出磁铁。(如果您尝试在电磁阀中放置磁铁，请小心，因为磁铁可能会射出。

　　我怎么知道真的有磁场? 您可以使用铁屑查看电线的磁场。购买一些铁屑或通过在操场或沙滩上运行磁铁来找到自己的铁屑。在一张纸上轻轻撒上锉刀，然后将纸放在磁铁上。轻轻敲击纸张，锉刀将与磁场对齐，让您看到它的形状!

　　电磁铁常见问题

　　电磁铁是如何制造的?

　　你可以自己制作一个简单的电磁铁，使用你可能坐在房子周围的材料。导电线，通常是绝缘铜，缠绕在金属棒上。电线摸起来会变热，这就是为什么绝缘很重要的原因。缠绕电线的杆称为螺线管，产生的磁场从该点辐射出去。磁铁的强度与线圈绕在杆上的次数直接相关。为了获得更强的磁场，电线应缠绕得更紧密。

　　什么是电磁铁，它是如何工作的?

　　电磁铁通过应用电力产生磁场。当您引入来自电池或其他电源的电流时，它会流过电线。这会在线圈周围产生磁场，使金属磁化，就好像它是永磁体一样。电磁铁很有用，因为您可以通过分别完成或中断电路来打开和关闭磁铁。

　　电磁铁的主要特点是什么?

　　一个关键特征是电磁铁具有磁场，但仅在电流流动时。它们用于常规磁铁没有任何意义的情况。