21、电磁元件：电磁铁与螺线管的原理、应用与特性

电磁元件：电磁铁与螺线管的原理、应用与特性

1. 电磁铁概述

电磁铁是一种包含铁磁材料芯的线圈，该芯相对于线圈静止。其主要作用是利用电流产生磁场，通过铁芯引导和增强磁场，从而吸引或排斥具有固有磁性的其他部件。

• 工作原理 ：当电流通过圆形导线或螺旋状线圈时，会在线圈中心感应出磁场。若在线圈中心放置一块静止的铁磁材料，由于该材料的磁阻远低于空气，会增强磁场力，线圈和铁芯的组合便构成了电磁铁。在直流电源的情况下，电磁通量密度的大小与通过线圈的电流成正比。
• 设计变体
  • 简单单线圈设计 ：由绕在杆上的单个线圈组成，杆末端可能有一个板，用于提升废金属等应用。但这种设计效率相对较低，因为磁路是通过电磁铁周围的空气完成的。
  • U形铁芯设计 ：传统的U形铁芯周围缠绕一两个线圈，类似马蹄形磁铁。这种设计非常高效，因为线圈在U形铁芯的开口端感应出南北磁极，磁路通过被吸引的物体完成，能最大限度地提高吸引力。不过，现在这种设计相对少见，因为在两个单独的直垂直铁芯上缠绕绕组并连接它们更便宜。
• 电源类型影响
  • 直流电源 ：自然产生持续极化、稳定的磁场。
  • 交流电源 ：电磁铁仍可对未磁化但能被磁化的被动物体施加吸引力。电磁铁的极性会以几乎与交流电相同的频率改变，并在目标物