电磁铁的发展史
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，用磁电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，图1.3.1是电磁铁在吸引重物。[4]
图1.3.1 电磁铁吸引重物
表1.3.1 分层学习要求
电磁铁
1.什么是电磁铁？
通电线圈所产生的磁场与条形磁铁的磁场类似，它也有一个N极和一个S极，所以它也是一种磁体。
在线圈中插入一根铁棒或铁芯，线圈通电时，电流的磁场会明显增强，断电时，磁场又会随即消失。线圈的磁场能使铁芯磁化，从而产生“暂时性”的磁场。
带铁芯的螺线管叫做电磁铁。如图1.3.2所示。
图1.3.2 电磁铁
影响电磁铁磁性强弱的因素
分别将漆包线在铅笔和长铁钉上缠绕相同的圈数，然后分别连入电路中，观察它们各自吸住小铁钉的个数。
电磁铁吸引的小铁钉越多，电磁铁的磁性越强。如何让你所制电磁铁能吸引更多的小铁钉呢？
尝试后，你应该会发现：
（1）电磁铁磁性强弱与电流大小有关。当线圈匝数一定时，通过电磁铁的电流越大，电磁铁的磁性越强。如图1.3.3所示。
（2）电磁铁的磁性强弱与线圈匝数有关。当电流一定时，电磁铁线圈匝数越多，电磁铁的磁性越强。如图1.3.4所示。
2.影响电磁铁磁性强弱的因素有哪些？
3.这个实验用了什么方法？
图1.3.3 改变电流大小
图1.3.4 改变线圈匝数
综上所述，电磁铁磁性强弱与线圈匝数和线圈中电流大小有关。因此，为了增强电磁铁磁性，可以增大螺线管中的电流，也可以增加螺线管中线圈的匝数，用性能更强的铁磁性材料做铁芯也是常用的方法。
4.吸引小铁钉的个数说明了什么？这采用了什么研究方法？
电磁铁的应用
电磁起重机
电磁铁的实际用途很多，最直接的应用之一就是电磁起重机（见图1.3.5）。利用电磁铁来搬运钢铁材料的装置叫做电磁起重机。电磁起重机的主要部分是电磁铁。接通电流，电磁铁便把钢铁物品牢牢吸住，吊运到指定的地方。切断电流，磁性消失，钢铁物品就放下来了。电磁起重机使用十分方便，但必须有电流才可以使用，可以应用在废钢铁回收部门和炼钢车间等。
图1.3.5 电磁起重机
5.你还知道电磁铁有哪些应用呢？
电磁选矿机
电磁选矿机滚筒本身是非铁磁性物质，是空心的；磁铁放在滚筒内的前部。
电磁选矿机是根据磁体对铁矿石有吸引力的原理制成的。如图1.3.6所示，当电磁选矿机工作时，铁砂将落入B箱。矿石在下落过程中，经过电磁铁时，非铁矿石不能被电磁铁吸引，由于重力的作用直接落入A箱；而铁矿石能被电磁铁吸引，吸附在滚筒上并随滚筒一起转动，到B箱上方时电磁铁对矿石的吸引力已非常微小，所以矿石由于重力的作用而落入B箱。
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图1.3.6 电磁选矿机示意图
6.电磁铁如何甄别铁矿石和非铁矿石？
电铃
闭合开关，电磁铁线圈中有电流通过，电磁铁有了磁性，吸引衔铁，衔铁带动下端的小锤击打电铃发出声音；同时，由于衔铁被电磁铁吸引使小锤离开触点，电路断开，电磁铁失去了磁性，衔铁在弹簧片作用下又被弹回，电路闭合。不断重复，电铃便发出连续击打声。如图1.3.7所示。
校园内，我们现在使用的是交流电，交流电路中电流的大小和方向随时间作周期性的变化，方便地实现了电铃不断地被敲击而发声。
图1.3.7 电铃
7.电铃通过什么方式实现持续的敲击？
磁记录
由于电磁铁的磁性可由通断电控制，在日常生活中，录音带、录像带、计算机磁盘或磁性银行卡记录信息时，会用到电磁铁。当我们对着录音机的话筒说话时，声音的振动被转化成一种电流，它随着声音的变化而变化，并通过录音机录音磁头的电磁铁产生变化的磁场。如图1.3.8所示。
图1.3.8 录音机
录音带是塑料做的，上面涂有一层薄薄的磁粉，录音磁头上电磁铁产生的磁场可以将磁粉磁化。当录音带经过电磁铁时，磁粉或多或少被电磁铁磁化，其磁化强度随磁场强度的变化而变化，磁带上磁性的分布图便成了声音编码，当放磁带时，记录的编码又被转换回声音。同样，这样的过程也可以被用在录像带上记录图像和声音，用在计算机磁盘上记录各种各样的信息。如图1.3.9所示。
图1.3.9 录音带
8.录音磁头如何为声音编码？
自我评价
1.为什么一个电磁铁的磁性通常比相同匝数的螺线管的磁性强？
2.对一个已制好的电磁铁，我们可以通过改变________来控制电磁铁的磁性强弱，通过________来控制电磁铁磁性的有无。
3.如图1.3.10所示，开关闭合后，铁钉的上端是________极（选填“N”或“S”），当滑片向左移动时，铁钉吸引大头针的数目将________（选填“增加”或“减少”）。
4.图1.3.11所示是温度自动报警器，当温度达到____ °C时，电铃发声报警，此时电磁铁的左端是________极。电动机工作时，能够使线圈平稳、连续不停地转动下去是靠____来实现的。
图1.3.10
图1.3.11
电磁铁与磁浮列车
2021年7月20日，由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的我国时速600公里高速磁浮交通系统在青岛成功下线（见图1.3.12）。这是世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统，标志着我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力，对于完善我国立体高速客运交通网具有重大的技术和经济意义。
图1.3.12 高速磁浮列车
磁浮列车是一种靠磁悬浮力来推动的列车，它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，减少了摩擦力，行驶时不同于其他列车需要接触地面，只受来自空气的阻力，高速磁浮列车的速度可达每小时600公里，中低速磁浮列车速度则多数在100～200公里/时。
电磁悬浮是对车载的悬浮电磁铁励磁而产生可控制的电磁场，电磁铁与轨道上长定子直线电机定子铁芯相互吸引，将列车向上吸起，并通过控制悬浮励磁电流来保证稳定的悬浮间隙。电磁铁与轨道之间的悬浮间隙一般控制在8～12 mm。电磁悬浮和传统轮轨如图1.3.13和1.3.14所示。
图1.3.13 传统轮轨
图1.3.14 电磁悬浮
高速磁浮铁路系统由线路、车辆、供电、运行控制系统等四个主要部分构成。
线路：线路引导列车前进方向，同时承受列车荷载并将之传至地基。线路上部结构为用于联结长定子的精密焊接的钢结构或钢筋混凝土结构的支撑梁，下部结构为钢筋混凝土支墩和基础。
车辆：车辆是高速磁浮客运系统中最重要的部分，包括悬浮架和其上安装的电磁铁、二次悬挂系统和车厢。此外还有车载蓄电池、应急制动系统和悬浮控制系统等电气设备。
供电：供电系统包括变电站、沿路供电电缆、开关站和其他供电设备。磁浮列车供电系统通过给地面长定子线圈供电提供列车运行所需的电能。首先，从110 kV的公用电网引入交流高压电，通过降压变电器降至20 kV和1.5 kV，然后整流成为直流电，再由逆变器变成0～300 Hz交流电，升压后通过线路电缆和开关站供给线路上的长定子线圈，在定子和车载电磁铁之间形成牵引力。磁浮列车系统的整流、变流及电机定子等设备均在地面，对设备的体积和重量以及抗振性能没有严格要求。
运行控制系统：运行控制系统是整个磁浮交通系统正常运转的根本保障。它包括所有用于安全保护、控制、执行和计划的设备，还包括用于设备之间相互通讯的设备。运行控制系统由运行控制中心、通信系统、分散控制系统和车载控制系统组成。[5]
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