电磁力研究报告

研究报告电磁铁刘泉宏

目录1.电磁力的本质是什么…………….12.电磁铁………………..33.电磁转矩………..…….94.电磁感应定律……………115.电流磁效应………….12两块磁铁之间靠磁力传递互相作用，磁力属于电磁力，电磁力的媒介粒子是光子。因此，两块磁铁之间的磁力是靠光子传递的，更精确来说是虚光子。在典型场论中，两块磁铁即使没有直接接触，但是磁铁周边存在磁场，它们之间是直接靠电磁场进行互相作用的。电磁场拥有能量、质量和动量。在量子场论中，科学家们认为电磁力是由虚光子的交换产生的。那什么是虚光子？根据量子力学的表述，真空并不是虚无的，整个空间中充满了能量涨落。由于真空中无时无刻不在产生虚粒子对，虚粒子仅存在很短的时间就会发生湮灭，而真空中的能量涨落就是由此产生的。真空中存在的这种由量子效应产生的能量被称之为真空零点能。虚粒子是不能够被观察到，但它事实上是存在的，并且能够产生某些物理效应。受真空中的量子涨落影响，两个处在真空中的平行电容板之间就存在互相吸引力，这被称之为卡西米尔效应。实验测算，在10纳米的间隙上，卡西米尔效应大概能产生一种原则大气压的压力。电磁场源于电荷，在电荷的激发下就会产生虚光子，虚光子是不能够被直接观察到的光子。虚光子含有能量和动量，电磁力本质上就是虚光子的交换。通过虚光子的交换，能量及动量也就发生了转移。宇宙空间中充满了电磁场，电磁波就是在电磁场中传输的波动能量。光本身就是电磁波，光含有波粒二象性，因此电磁波也能够当作光子，但是这里是实光子，而不是虚光子。前面已经说过了，虚粒子存在的时间极短，是不能够被观察到的，虚光子也是虚粒子，因此虚光子也是不能够被观察到的。另外，即使是实光子，人眼也只能看见可见光波段，余下的波段都是人肉眼不可见的。除了电磁力，自然界中的其它三种力也是靠交换粒子产生的在自然界中一共存在4种基本力，它们是：电磁力、强核力、弱核力、引力。在规范场论的原则模型中，电磁力是靠光子传递的；强核力则是依靠胶子传递的；弱核力是靠W及Z玻色子传递的；引力理论上是靠引力子传递的。根据理论，这4种基本力产生于同一机制，后来逐步分化。现在电磁力和弱核力已经完美的统一了，强核力也已经纳入了统一的框架，就只剩余引力了。将来终究走向何方，尚未可知。电磁力属于第2强的力（最强的是强核力），和引力同样同属于长程力。它是日常生活中最常见的，也是我们研究的最透彻的一种基本力。例如摩擦力、弹力、分子力等，它们本质上都属于电磁力。强核力和弱核力，听名字就懂得了，它们的作用效果仅局限于原子核内，出了原子核基本上就没它俩的事了。电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁同样含有磁性，它也叫做电磁铁（electromagnet）。我们普通把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立刻消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。原理当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的铁芯也变成了一种磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。为了使电磁铁的磁性更强，普通将铁芯制成蹄形。但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。如果绕向相似，两线圈对铁芯的磁化作用将互相抵消，使铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。否则钢一旦被磁化后，将长久保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。电磁铁是能够通电流来产生磁力的器件，属非永久磁铁，能够很容易地将其磁性启动或是消除。例如：大型起重机运用电磁铁将废弃车辆抬起。当电流通过导线时，会在导线的周边产生磁场。应用这性质，将电流通过螺线管时，则会在螺线管之内制成均匀磁场。假设在螺线管的中心置入铁磁性物质，则此铁磁性物质会被磁化，并且会大大增强磁场。普通而言，电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈圈数及中心的铁磁体有关。在设计电磁铁时，会重视线圈的分布和铁磁体的选择，并运用电流大小来控制磁场。由于线圈的材料含有电阻，这限制了电磁铁所能产生的磁场大小，但随着超导体的发现与应用，将有机会超越现有的限制。分类编辑按电流分1.交流电磁铁2.直流电磁铁按用途分1.制动电磁铁：在电气传动装置中用作电动机的机械制动，以达成精确快速停车的目的，常见的型号有MZD1(单相），MZS1（三相）系列。2.起重电磁铁：用作起重装置来吊运钢材，铁砂等导磁材料，或用作电磁机械手夹持钢铁等导磁材料。3.阀用电磁铁：运用磁力推动磁阀，从而达成阀口启动，关闭或换向的目的。4.牵引电磁铁：重要用牵引机械装置以执行自动控制任务。方向判断电磁铁的磁场方向能够用安培定则来判断。

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安培定则是表达电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫右手螺旋定则。（1）通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流方向，四指指向通电直导线周边磁力线方向。（2）通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。优点电磁铁有许多优点：电磁铁的磁性有无能够用通、断电流控制；磁性的大小能够用电流的强弱或线圈的匝数多少来控制；也可通过变化电阻控制电流大小来控制磁性大小；它的磁极能够由变化电流的方向来控制，等等。即：磁性的强弱能够变化、磁性的有无能够控制、磁极的方向能够变化，磁性可因电流的消失而消失。电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一种应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电子门锁、智能通道匝、电磁流量计等。分类编辑电磁铁能够分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。如果按照用途来划分电磁铁，重要可分成下列五种：（1）牵引电磁铁──重要用来牵引机械装置、启动或关闭多个阀门，以执行自动控制任务。（2）起重电磁铁──用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。（3）制动电磁铁──重要用于对电动机进行制动以达成精确停车的目的。（4）自动电器的电磁系统──如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。（5）其它用途的电磁铁──如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。历史早在18春天，丹麦的奥斯特在一次偶然之中就发现了这一原理。18，法国物理学家阿拉戈和吕萨克才发现，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。这事实上是电磁铁原理的最初发现。18，斯特金也做了一次类似的实验：他在一根并非是磁铁棒的U型铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与伏打电池接通时，绕在U型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使U型铁棒变成了一块“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型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、美国以及西欧某些沿海国家传输开来。1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了某些革新，用磁电绝缘导线替代裸铜导线，因此不必紧张被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层，就能够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，即使它的体积并不大，但它能吸起1吨重的铁块。在奥斯特电流磁效应实验及其它一系列实验的启发下，安培认识到磁现象的本质是电流，把涉及电流、磁体的多个互相作用归结为电流之间的互相作用，提出了寻找电流元互相作用规律的基本问题。为了克服孤立电流元无法直接测量的困难，安培精心设计了4个示零实验并伴以缜密的理论分析，得出了成果。但由于安培对电磁作用持超距作用观念，曾在理论分析中强加了两电流元之间作用力沿连线的假设，盼望恪守牛顿第三定律，使结论有误。上述公式是抛弃错误的作用力沿连线的假设，经修正后的成果。应按近距作用观点理解为，电流元产生磁场，磁场对其中的另一电流元施以作用力。性质直线电流的安培定则对一小段直线电流也合用。环形电流可当作许多小段直线电流构成，对每一小段直线电流用直线电流的安培定则鉴定出环形电流中心轴线上磁感强度的方向。叠加起来就得到环形电流中心轴线上磁感线的方向。直线电流的安培定则是基本的，环形电流的安培定则可由直线电流的安培定则导出直线电流的安培定则对电荷作直线运动产生的磁场也合用，这时电流方向与正电荷运动方向相似，与负电荷运动方向相反。意义安培定律与库仑定律相称，是磁作用的基本实验定律，它决定了磁场的性质，提供了计算电流互相作用的途径。注意电磁铁：运用电流的磁效应，使软铁(电磁铁线圈内部芯轴,可快速充磁与消磁)含有磁性的装置。（1）将软铁棒插入一螺线形线圈内部，则当线圈通有电流时，线圈内部的磁场使软铁棒磁化成临时磁铁，但电流切断时，则线圈及软铁棒的磁性随着消失。（2）软铁棒磁化后所生成的磁场，加上原有线圈内的磁场，使得总磁场强度大为增强，故电磁铁的磁力不不大于天然磁铁。（3）螺线形线圈的电流愈大，线圈圈数愈多，电磁铁的磁场愈强。电磁铁的应用（1）起重机：为工业用的强力电磁铁，通上大电流，可用以吊运钢板、货柜、废铁等。（2）电话：下一节介绍。（3）安培计、伏特计、检流计（4）电铃等等。（5）自动化控制设备（6）工业自动化控制、办公自动化。（7）包装机械、医疗器械、食品机械、纺织机械等。（8）电磁继电器（9）磁悬浮列车制作原理1.圆形线圈通往电流形成的磁场（1）线圈中心处的磁场方向可将线圈上某一小段导线视为直线，由安培右手定则鉴定之。（2）通有电流的圆形线圈上每一小段电流所产生的磁场，在线圈内都指向同一方向，故线圈内的磁场较直导线电流产生的磁场强度大。（3）圆形导线通入电流时，线圈外的磁场因各小段电流产生磁场的方向不一致，因此产生的合成磁场较圈内磁场弱。（4）圆形线圈的电流愈大，半径愈小，则线圈中心处的磁场强度即愈大。（5）圆形线圈和圆盘形薄磁铁的磁力线形状相似。2.螺线形线圈电流的磁场（1）用一条长导线绕成螺线形的长线圈，相称于由诸多个圆形线圈所串联而成，每一圆形导线在中心处所建立的磁场均为同向，能够增强效应，故线圈中心处的磁场较单匝圆形线圈为强。（2）线圈内部磁力线形成方向相似的直线，在线圈约两端磁力线则渐弯曲向外。（3）螺线形线圈的磁力线特性与棒形磁铁的磁力线相似，线圈内的磁力线与线圈外方向恰相反。（4）线圈内磁场的强度与线圈上的电流及单位长度内线圈的圈数成正比。3.螺线形线圈电流内磁场方向的右手螺旋定则（安培定理）：以右手掌握住线圈，四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为线圈内磁力线方向。电磁转矩是电机的一种重要指标，电磁转矩的精确计算也会影响一台电机的性能。最惯用的两种办法就是麦克斯韦应力张量法和磁通法。这两种办法都基于有限元计算，有限元分析软件功效比较强大，能够通过节点磁位很容易计算电磁转矩

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。直流电机直流电机的电磁转矩是由每极气隙磁通和电枢电流共同作用产生的。直流电动机堵转转矩计算公式TK=9.55KeIK。直流电机转矩公式：T=CTΦIa,其中CT为转矩常数，Φ为每极主磁通，Ia为电枢电流。直流发电机和直流电动机的电磁转矩在性质上的介绍：1、电动机和发电机的电磁转矩都是由电枢电流在磁场中受到电磁力产生的；2、电动机的电磁转矩方向与转动方向相似，它是驱动力矩，电动机通过它将电能转换为机械能；3、发电机的电磁转矩方向与转动方向相反，它是制动力矩，发电机通过它将机械能转换为电能。直流发电机和直流电动机的电磁转矩的产生及作用：1、直流电动机，外加电源之后，励磁线圈会在电机内产生一种磁场，电枢通电后来，就形成带电导体。带电导体在磁场中，就会受到力的作用从而产生运动，这个促使电枢运动的力矩，就是电磁力矩（这个力矩是驱动电枢运动的）。当电枢开始运动之后，就又形成导体切割磁力线，从而导体内部会产生（感应出）电势，这个电势我们称为感应电动势。外电势与感应电势关系为：U=E+IR，U为外电势，E是内电势（感应电势），I是电机电流，R是电机电阻。2、直流发电机，这个状况稍稍复杂一点。有的发电机是自励磁（规定有剩磁），有的是外加励磁电源。无论是哪种状况，都规定有磁的存在，当电枢运动在磁场中切割磁力线的时候，就会产生一种电势，这个电势就是感应电势。跟电动机同样的道理，同时存在着一种电磁力矩，只是这个力矩是制止电枢运动的，与外部拖动电枢运动的装置的力矩相平衡。同样，外电势与感应电势关系为：E=U+IR，U为外电势，E是内电势（感应电势），I是电机电流，R是电机电阻。异步电机定子和转子的磁场互相作用使电机转动。由于转子的转速必须低于旋转磁场才干对转子导线形成磁力线切割，因此转子的转速要低于定子的旋转磁场转速，因此称异步电机。三相异步电动机的转矩公式为：其中U1

为输入电压；

为归算后的转子电阻；s为转差率；，由电机构造决定；能够懂得T∝U12

转矩与电源电压的平方成正比，设正常输入电压时负载转矩为T2

，电压下降使电磁转矩T下降诸多；由于T2

不变，因此T不大于T2

平衡关系受到破坏，造成电动机转速的下降，转差率S上升；它又引发转子电压平衡方程式的变化，使转子电流I2上升。也就是定子电流I1随之增加（由变压器关系能够懂得）；同时I2增加也是电动机轴上送出的转矩T又回升，直到与T2相等为止。这时电动机转速又趋于新的稳定值

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。同时电机同时发电机电磁转矩与磁场的强度和绕组里的电流大小有关。磁场越强，电磁转矩越大；电流越大，电磁转矩也越大。M=CmφI其中：M---同时发电机的电磁转矩；Cm---同时发电机的转矩常数；φ---同时发电机的磁通；I---同时发电机的电流。另外，也可用功率表达转矩的公式：M=P/ω其中：M---同时发电机的电磁转矩；P---同时发电机的输出功率；ω---同时发电机的旋转角速度。电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势（电压）称为感应电动势[1]

。电磁感应定律中电动势的方向能够通过楞次定律或右手定则来拟定。右手定则内容：伸平右手使拇指与四指垂直，手心向着磁场的N极，拇指的方向与导体运动的方向一致，四指所指的方向即为导体中感应电流的方向（感应电动势的方向与感应电流的方向相似）。楞次定律指出：感应电流的磁场要妨碍原磁通的变化。简而言之，就是磁通量变大，产生的电流有让其变小的趋势；而磁通量