電磁鐵

可以通過將線圈繞在軟鐵芯（如大釘子）上來創建一個簡單的電磁鐵

電磁鐵是一種臨時磁鐵，其磁場由電流產生，并且為了集中磁場，電磁鐵的導線被繞成線圈。

我們現在從之前的教程中知道，一個直的載流導體在其長度上的所有點周圍都會產生一個圓形磁場，并且這個磁場的旋轉方向取決于通過導體的電流方向，即左手定則。

在關于電磁學的最后一個教程中，我們看到，如果我們將導體彎曲成一個單環，電流將通過環在相反方向上流動，產生一個順時針場和一個逆時針場。電磁鐵利用這一原理，通過將幾個單獨的環磁性地連接在一起，形成一個線圈。

電磁鐵基本上是線圈，當電流通過線圈時，它們表現得像條形磁鐵，具有明顯的北極和南極。每個單獨的線圈環產生的靜態磁場與其相鄰的環相加，組合的磁場像我們在上一個教程中看到的單環一樣集中在線圈的中心。產生的靜態磁場在一端有一個北極，在另一端有一個南極，是均勻的，并且在線圈的中心比外部強得多。

電磁鐵周圍的力線

電磁線圈

產生的磁場以條形磁鐵的形式拉伸，給出一個獨特的北極和南極，磁通量與線圈中流動的電流量成正比。如果在同一線圈上繞上額外的導線層，并且相同的電流流動，磁場強度將會增加。

因此可以看出，在任何給定的磁路中可用的磁通量與通過它的電流和線圈中的導線匝數成正比。這種關系被稱為磁動勢或m.m.f.，定義為：

磁動勢方程

磁動勢表示為電流I通過N匝線圈。因此，電磁鐵的磁場強度由線圈的安培匝數決定，線圈中的導線匝數越多，磁場強度越大。

電磁鐵的磁強度

我們現在知道，當兩個相鄰的導體載流時，根據電流流動的方向建立磁場。這兩個場的相互作用使得兩個導體受到機械力。

當電流在同一方向上流動（線圈的同一側）時，兩個導體之間的場較弱，導致吸引力，如上圖所示。同樣，當電流在相反方向上流動時，它們之間的場變得更強，導體被排斥。

導體周圍的場強度與距離成正比，最強的點在導體旁邊，離導體越遠越弱。在單個直導體的情況下，流動的電流和距離是決定場強度的因素。

因此，計算“磁場強度”H（有時稱為“磁化力”）的公式是從通過它的電流和距離推導出來的。

電磁鐵的磁場強度

電磁鐵的磁化力

其中：

H – 是磁場強度，單位為安培-匝/米，At/m

N – 是線圈的匝數

I – 是通過線圈的電流，單位為安培，A

L – 是線圈的長度，單位為米，m

總結一下，線圈磁場的強度或強度取決于以下因素。

線圈中導線的匝數。

線圈中流動的電流量。

核心材料的類型。

電磁鐵的磁場強度還取決于所使用的核心材料類型，因為核心的主要目的是將磁通量集中在一個明確且可預測的路徑中。到目前為止，只考慮了空氣核心（空心）線圈，但在核心（線圈的中心）中引入其他材料對磁場強度有很大的控制作用。

電磁鐵

使用釘子的電磁鐵

如果材料是非磁性的，例如木材，為了計算目的，可以將其視為自由空間，因為它們具有非常低的磁導率值。然而，如果核心材料是由鐵磁材料（如鐵、鎳、鈷或它們的合金混合物）制成的，將會觀察到線圈周圍的磁通量密度的顯著差異。

鐵磁材料是那些可以被磁化的材料，通常由軟鐵、鋼或各種鎳合金制成。將這種類型的材料引入磁路中，具有集中磁通量的效果，使其更集中和密集，并放大線圈中電流產生的磁場。

我們可以通過將一段導線繞在一個大軟鐵釘上并連接到電池來證明這一點，如圖所示。這個簡單的課堂實驗允許我們拾取大量的夾子或別針，并且我們可以通過在線圈上增加更多的匝數來使電磁鐵更強。這種磁場強度的程度，無論是通過空心空氣核心還是通過將鐵磁材料引入核心，被稱為磁導率。

電磁鐵的磁導率

如果在電磁鐵中使用具有相同物理尺寸的不同材料的核心，磁鐵的強度將根據所使用的核心材料而變化。這種磁場強度的變化是由于通過中心核心的磁通量線的數量。如果磁性材料具有高磁導率，那么磁通量線可以很容易地產生并通過中心核心，磁導率（μ）是核心被磁化的容易程度的度量。

真空的磁導率的數值常數給出為：μo = 4.π.10-7 H/m，自由空間（真空）的相對磁導率通常給定值為一。這個值在所有涉及磁導率的計算中用作參考，所有材料都有其特定的磁導率值。

僅使用不同鐵、鋼或合金核心的磁導率的問題是，涉及的計算可能變得非常大，因此更方便通過它們的相對磁導率來定義材料。

相對磁導率，符號μr是μ（絕對磁導率）和μo自由空間的磁導率的乘積，給出為。

相對磁導率

相對磁導率方程

磁導率略低于自由空間（真空）并且對磁場具有弱負磁化率的材料被稱為抗磁性材料，例如：水、銅、銀和金。那些磁導率略高于自由空間并且本身僅被磁場輕微吸引的材料被稱為順磁性材料，例如：氣體、鎂和鉭。

電磁鐵示例No1

軟鐵芯的絕對磁導率給出為80毫亨/米（80.10-3）。計算等效的相對磁導率值。

相對磁導率

當鐵磁材料用于核心時，使用相對磁導率來定義場強度可以更好地了解所使用的不同類型材料的磁場強度。例如，真空和空氣的相對磁導率為一，而鐵芯的相對磁導率約為500，因此我們可以說鐵芯的場強度比等效的空心空氣線圈強500倍，這種關系比0.628×10-3 H/m（500.4.π.10-7）更容易理解。

雖然空氣的磁導率可能只有一，但一些鐵氧體和坡莫合金材料的磁導率可以達到10,000或更多。然而，單個線圈可以獲得的磁場強度有限，因為隨著磁通量的增加，核心會變得嚴重飽和，這將在下一個關于B-H曲線和磁滯的教程中討論。