21、电磁元件：电磁铁、螺线管与直流电机的原理、应用与问题解析

电磁元件：电磁铁、螺线管与直流电机的原理、应用与问题解析

一、电磁铁的应用与问题

1.1 电磁铁的应用

电磁铁有着广泛的应用场景，主要可分为以下几类：
- 传统大规模应用 ：用于起重和搬运重物或废金属，例如废旧汽车。
- 现代应用 ：在磁共振成像（MRI）中发挥重要作用，革新了医学的某些领域。
- 超大规模应用 ：包括粒子加速器（多个磁线圈按顺序通电）和核聚变发电机（利用磁场约束高温等离子体）。

1.2 电磁铁可能出现的问题

由于电磁铁需要持续供电来维持磁力，但在目标物体静止（与磁芯接触）时并不做功，此时通过磁线圈的电流会全部转化为热量。

二、螺线管的原理、特性与应用

2.1 螺线管的定义与结构

螺线管通常由框架内的空心线圈组成，框架可以是密封的圆柱体或侧面开放的箱形。圆柱体的两端称为极面，至少有一个极面有孔，通过该孔，螺线管可拉动或推动柱塞（也称为电枢）。因此，螺线管是一种根据电流通过产生线性机械力的装置，且在大多数情况下，需要持续通电来维持机械力。

2.2 螺线管的工作原理

• 磁效应 ：电流通过线圈产生磁力，若柱塞由软铁等材料制成，线圈会在柱塞中感应出相反的磁极，使柱塞试图处于线圈内两端与线圈两端等距的位置。
• 力的调节 ：可通过添加弹簧来调节柱塞的受力，或在电流中断时使柱塞部分弹出。 <