电磁铁¶
The Electromagnet
通过将导线线圈绕在软铁芯（例如大号铁钉）上，即可构成一个简单的电磁铁。
电磁铁是一种临时磁体，其磁场由电流产生。为了集中磁场，电磁铁的导线被卷成线圈。
我们在前面的教程中已经了解到，直导线通电时会在其全长处产生环形磁场，该磁场的旋向由电流方向决定——遵循左手定则。
在上一节关于电磁学的教程中，我们看到，如果将导线弯成单个回路，电流将在回路的不同位置沿相反方向流动，从而在相邻区域分别产生顺时针和逆时针的磁场。电磁铁正是利用这一原理，通过将若干独立线圈磁性耦合，形成一个整体线圈。
电磁铁本质上是一组导线线圈，当电流通过时，线圈表现得像一根条形磁铁，在一端形成北极，在另一端形成南极。每个单独线圈环产生的静态磁场与相邻线圈的场叠加，合成后的磁场在中心区域更为集中。这种合成后的静态磁场在一端形成北极，在另一端形成南极，其中心处的场强远大于线圈外部。
电磁铁周围的磁力线
Lines of Force around an Electromagnet
它产生的磁场呈现出条形磁铁的形式，具有明显的北极和南极，磁通量与线圈中的电流大小成正比。如果在同一线圈上以相同电流再缠绕额外的线层，磁场强度将会增加。
由此可见，在任何给定的磁路中，可用的磁通量与流过它的电流大小以及线圈的匝数成正比。这种关系称为磁动势（Magneto Motive Force 或 m.m.f.），定义为：
磁动势由流过具有 \(N\) 匝的线圈的电流 \(I\) 来表示。因此，电磁铁的磁场强度由线圈的安匝数决定，线圈的匝数越多，磁场强度越大。
电磁铁的磁场强度¶
The Magnetic Strength of the Electromagnet
我们现在知道，当两根相邻的导体通电时，会根据电流流向建立磁场。这两个磁场的相互作用，会使两根导体之间产生机械力。
当电流沿相同方向流动（在线圈的同一侧）时，两导体之间的磁场较弱，因而产生吸引力；如上所示。同样，当电流沿相反方向流动时，两导体之间的磁场被增强，导体相互排斥。
导体周围磁场的强度与到导体的距离成反比，距离导体最近处磁场最强，随着距离增大磁场逐渐减弱。对于单根直导线而言，流过导线的电流 I 和与导线的距离 r 是决定磁场强度的关键因素。
因此，长直载流导线的“磁场强度” \(H\)（有时称为“磁化力”）的计算公式，即由电流 \(I\) 和距离 \(r\) 共同决定。
电磁铁的磁场强度
Magnetic Field Strength for Electromagnets
- 磁感应强度与磁化强度的关系：
- 线圈的磁化强度：
- 长直导线的磁化强度：
其中：
-
\(H\) —— 磁场强度，单位为安匝每米（ \(\mathrm{At/m}\)）；
-
\(N\) —— 线圈匝数；
-
\(I\) —— 流过线圈的电流，单位为安培（ \(\mathrm{A}\)）；
-
\(L\) —— 线圈长度，单位为米（ \(\mathrm{m}\)）。
然后总结来说，线圈磁场的强度或强度取决于以下因素：
-
线圈中的导线匝数。
-
线圈中的电流大小。
-
磁芯材料的类型。
电磁铁的磁场强度还取决于所用磁芯材料的类型，其主要作用是将磁通集中在一个明确定义且可预测的路径中。到目前为止，我们只考虑了空气芯（空心）线圈，但在磁芯（线圈中心）中引入其他材料会对磁场强度产生极大的控制作用。
如果材料是非磁性材料，例如木材，则在计算时可将其视为自由空间，因为它们的磁导率（ \(\mu\)）值非常低。 然而，如果磁芯材料由铁、镍、钴或它们合金混合而成的铁磁材料制成，则在线圈周围的磁通密度会显著增加。
铁磁材料是指那些能够被磁化的材料，通常由软铁、钢或各种镍合金制成。在磁路中引入此类材料可以将磁通集中，使其更加密集，并放大线圈中电流产生的磁场。
我们可以通过将导线线圈绕在一个大型软铁钉上并将其连接到电池来验证这一点，如下图所示。这个简单的课堂实验可以让我们拾取大量回形针或图钉，并且通过增加线圈的匝数可以使电磁铁更强。无论是采用空心气芯，还是在磁芯中引入铁磁材料，这种对磁场强度的增强程度称为磁导率（Magnetic Permeability， \(\mu\)）。
电磁铁的磁导率¶
Permeability of Electromagnets
如果在具有相同物理尺寸的不同材料制成的磁芯被用在电磁铁中，则磁铁的磁场强度会随所用磁芯材料而变化。这种磁场强度的变化是由于通过中心磁芯的磁力线数量不同。如果磁性材料具有高磁导率，则磁力线更容易产生并通过中心磁芯。磁导率（ \(\mu\)）是衡量磁芯磁化难易程度的量。
真空的磁导率数值给定为：
自由空间（真空）的相对磁导率通常取值为 1。所有涉及磁导率的计算中均以此数值为参考，而所有材料都有其特定的磁导率数值。
仅使用不同铁、钢或合金磁芯的磁导率来计算时，所需的数值计算量可能非常大，因此更方便使用相对磁导率来定义材料。
相对磁导率（符号 \(\mu_r\)）是绝对磁导率 \(\mu\) 与真空磁导率 \(\mu_0\) 的比值，表示为：
这里原文出现了错误，使用了product，应该是ratio
Relative Permeability
磁导率略小于自由空间（真空）且对磁场具有微弱负磁化率的材料，称为抗磁性（Diamagnetic）材料，例如：水、铜、银和金。那些磁导率略大于自由空间且会被磁场稍微吸引的材料，称为顺磁性（Paramagnetic）材料，例如：气体、镁和钽。
电磁铁示例 1¶
已知软铁芯的绝对磁导率为 \(80 mH/m\)（即 \(80\times10^{-3} H/m\)）。计算其对应的相对磁导率值。
在磁芯中使用铁磁材料时，采用相对磁导率来描述磁场强度，可以更直观地比较不同材料的效果。例如，真空和空气的相对磁导率均为 1，而普通铁芯约为 500，因此我们可以说铁芯下的磁场强度是同等空心空气线圈的 500 倍——这一表述比直接说 \(0.628×10⁻³ H/m\)（即 \(500\times4\pi\times10^{-7} H/m\)）要容易理解得多。
尽管空气的磁导率仅为 1，但某些铁氧体和 Permalloy 材料的相对磁导率可达或超过 10 000。需要注意的是，随着磁通量增加，磁芯会逐步饱和，单根线圈所能产生的磁场强度存在上限；有关 B–H 曲线和磁滞现象的内容将在下一节中详细介绍。
附录¶
各类材料磁导率¶
| 材料 | 绝对磁导率 \(\mu\) （H/m） |
| 铋 (Bismuth) | \(1.256423\times10^{-6}\) |
| 银 (Silver) | \(1.256612\times10^{-6}\) |
| 铅 (Lead) | \(1.256616\times10^{-6}\) |
| 铜 (Copper) | \(1.256626\times10^{-6}\) |
| 水 (Water) | \(1.256626\times10^{-6}\) |
| 真空 (Vacuum) | \(1.256637\times10^{-6}\) |
| 空气 (Air) | \(1.256638\times10^{-6}\) |
| 铝 (Aluminum) | \(1.256662\times10^{-6}\) |
| 钯 (Palladium) | \(1.257642\times10^{-6}\) |
| 钴 (Cobalt) | \(3.141593\times10^{-4}\) |
| 镍 (Nickel) | \(7.539822\times10^{-4}\) |
| 碳素钢（Mild steel, 0.2%C） | \(2.513274\times10^{-3}\) |
| 铁（99.8% 纯） | \(6.283185\times10^{-3}\) |
| 硅钢（Silicon iron） | \(8.796459\times10^{-3}\) |
| Mu-metal | \(1.256637\times10^{-1}\) |
决定电导率的因素¶
| 因素 | 说明 |
| 材料化学成分 | 不同元素及合金成分决定自由电子浓度，导电金属（如 Cu、Ag、Al）本征电导率高；掺杂或合金化改变载流子浓度与散射中心。 |
| 晶体结构与缺陷 | 晶格排列越规则、缺陷越少（位错、空位、晶界），电子散射越少，电导率越高；缺陷越多，散射增加，电导率下降。 |
| 杂质与掺杂浓度 | 金属中的杂质原子或半导体中的掺杂既可提供额外载流子，也可增加散射，影响迁移率和导电性能。 |
| 温度 | 金属中温度升高→晶格振动增强→载流子散射增加→电导率下降；半导体中温度升高→载流子浓度↑→电导率↑（至杂质电离或复合饱和）。 |
| 载流子浓度与迁移率 | 电导率 \(\sigma=nq\mu\)（n：载流子浓度；q：电荷量； \(\mu\)：迁移率），两者乘积决定导电强弱。 |
| 微观结构与工艺 | 冷轧、拉丝等加工可改变晶粒尺寸和取向；退火消除内应力、促进再结晶，从而提高\mu和降低缺陷密度。 |
决定磁导率的因素¶
| 因素 | 说明 |
| 材料成分与磁性相 | 铁磁（Fe、Ni、Co 及其合金）材料具有高 \(\mu_r\)；顺磁、抗磁材料 \(\mu_r\)接近或略偏离1。 |
| 磁畴结构与磁畴壁运动 | 磁畴尺寸、形状及壁的易动性受缺陷、应力、晶界影响，决定外加场下的磁化易难。 |
| 晶粒大小与晶体各向异性 | 晶粒细化会阻碍磁畴壁移动，各向异性影响易磁化方向及磁化路径。 |
| 机械应力与退火工艺 | 内应力锁死磁畴壁、降低 \(\mu_r\)；退火（特别是交变场退火）可消除应力、优化晶格、提高 \(\mu_r\)。 |
| 频率与涡流损耗 | 高频下涡流和磁滞损耗增大，表皮效应明显，材料有效 \(\mu\)下降；薄片叠层或铁氧体可减轻。 |
| 温度 | 温度升高初期 \(\mu_r\)变化小，接近居里点时材料失磁， \(\mu_r\to1\)。 |
| 外加磁场强度（饱和效应） | 弱场区 \(\mu\)高，接近或超出磁饱和区后 \(\mu\)急剧下降。 |
| 几何形状与气隙 | 气隙增大磁阻，降低整体 \(\mu\)；合理设计截面、形状与气隙可优化磁通分布，提高磁路效率。 |
单词表¶
| English Term | 中文释义 |
| Electromagnet | 电磁铁 |
| Example | 例题；示例 |
| absolute permeability | 绝对磁导率 |
| soft iron core | 软铁芯 |
| milli-henries per metre | 毫亨利/米 |
| calculate | 计算 |
| equivalent | 等效的；相当的 |
| relative permeability | 相对磁导率 |
| value | 值；数值 |
| ferromagnetic materials | 铁磁材料 |
| core | 磁芯；核心 |
| field strength | 磁场强度 |
| vacuum | 真空 |
| air | 空气 |
| hollow air coil | 空心线圈 |
| relationship | 关系 |
| understand | 理解 |
| ferrite | 铁氧体 |
| permalloy | 镍铁合金 |
| limits | 限制；极限 |
| magnetic flux | 磁通量 |
| saturation | 饱和 |
| tutorial | 教程 |
| B–H curves | B–H 曲线 |
| hysteresis | 磁滞（现象） |
声明¶
本文翻译自 electronics-tutorials
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