從磁懸浮列車談起

劉鳳伶 管余

走進我國上海市，一條高架軌道上，列車疾駛而來轉瞬而去，就像傳說中的神龍一樣.這就是會“飛”的有著“零高度飛行器”美譽的磁懸浮列車.磁懸浮列車是用具有強大電流的磁體工作的，那么電流產生的磁場是怎樣的呢？我們一起認識電流的磁效應吧.

“電生磁”的概念

通電導線周圍存在與電流方向相關的磁場，這種現象稱為電流的磁效應.1820年丹麥物理學家奧斯特終于用實驗證實通電導線的周圍存在著磁場，在世界上第一個發現了電與磁之間的聯系.奧斯特的發現激發了科學家們的探索熱情.他們讓電流通過彎成各種形狀的導線，研究電流產生的磁場.

其中，用導線繞成的螺線管應用非常廣泛.

通電螺線管周圍的磁場是什么樣的呢？

我們可以利用轉換法，將小鐵屑均勻撒在通電螺線管周圍的有機玻璃板上，通過觀察鐵屑的分布情況來認識磁場的分布情況.同學們畫出通電螺線管外部磁感線后，通過比較可以判斷出通電螺線管外部磁場與條形磁體的磁場相似，螺線管的兩端相當于條形磁體的N、S極，磁場的方向與電流的方向有關，可用安培定則來判定.

安培定則的內容為：用右手握住螺線管，讓四指指向螺線管中電流的方向，則拇指所指的那端就是螺線管的N極.

例1（2023·鐵嶺）小磁針在電磁鐵磁場的作用下靜止在如圖1所示的位置，請標出：

（1）電磁鐵左端的磁極的名稱（用“N”或“S”表示）.

（2）圖中磁感線的方向.

（3）螺線管的右端導線連接電源的極性

（用“+”或“-”表示）.

解析：小磁針右端為N極，由磁極間的相互作用規律可知電磁鐵的右端為S極，左端為N極.利用安培定則可以判斷出線圈中電流的方向是從外到里，在電源的外部，電流是從電源正極出發，回到電源負極的，因此電源的右（N）端為正極，左端為負極.在磁體外部，磁感線方向是從N極指向S極.

答案：如圖2所示.

“電生磁”的應用

1.電磁鐵

電磁鐵是帶鐵芯的螺線管.在螺線管內插一根鐵芯，當電流通過螺線管時，螺線管中的鐵芯就被電流的磁場磁化成磁鐵，使螺線管的磁性增強；當沒有電流時，它們的磁性就立即消失了.電磁鐵就是根據這個道理制成的.

電磁鐵磁性的有無可由電流的有無決定；電磁鐵兩端的極性由電流的方向決定；電磁鐵的磁性強弱與線圈匝數的多少和通過電流的大小有關.線圈的匝數越多，通過的電流越大，電磁鐵的磁性越強.

例2（2023·赤峰，改編）學習了電磁鐵的知識，小明想：“電磁鐵兩極磁性強弱是否相同呢？”圖3甲是他探究該問題的裝置圖.

（1）通電后，電磁鐵A端是_______極.

（2）閉合開關后，彈簧測力計的示數太小，要使其示數變大，滑動變阻器滑片P應端移動.將滑動變阻器調節完成后，向_______讀出彈簧測力計的示數.

（3）在原位置將電磁鐵兩端對調，使B端向上，保持滑動變阻器滑片位置不動，觀察到彈簧測力計示數與（2）中的相同.初步可得出的結論是：電磁鐵兩極磁性強弱（填“相同”或“不同”）.

（4）完成上述實驗后，小明又按如圖3乙所示的裝置探究影響電磁鐵磁性強弱的因素.把電磁鐵a和b串聯，閉合開關，多次移動滑動變阻器的滑片P，發現電磁鐵b總能吸引更多的大頭針，通過比較，得出的結論是__________

（5）電磁鐵在生活中應用廣泛，請舉一例：__________

解析：（1）通電后，根據安培定則可知，電磁鐵A端是S極.

（2）要使彈簧測力計的示數變大，需使電磁鐵的磁性增強，應將滑動變阻器滑片P向左端移動，此時滑動變阻器接入電路的電阻減小，電流增大，電磁鐵磁性增強.

（3）保持滑動變阻器滑片位置不動，在原位置將電磁鐵兩端對調，使B端向上，此時電流大小不變，觀察到彈簧測力計示數與（2）中的相同，說明電磁鐵兩極的磁性強弱相同.初步

可得出的結論是：電磁鐵兩極磁性強弱相同.

（4）圖3乙中電磁鐵a和b中電流大小

相同，電磁鐵b的線圈匝數多，電磁鐵b吸引的大頭針多，說明電磁鐵b的磁性強.所以可以得出的結論是：電流相同時，線圈的匝數越多，電磁鐵的磁性越強.

（5）電磁鐵的應用十分廣泛，有電鈴、電磁繼電器、空氣開關等.

答案：（1）S（2）左（3）相同（4）電流相同時，線圈的匝數越多，電磁鐵的磁性越強（5）電鈴（或電磁繼電器或空氣開關等）

點評：通過彈簧測力計示數的大小或電磁鐵吸引大頭針的多少來判定電磁鐵磁性的強弱，這種間接的判斷方法就是轉換法.

2.電磁繼電器

電磁繼電器是利用電磁鐵來控制工作電路的一種開關，電磁繼電器由控制電路和工作電路構成.它可以用低電壓、弱電流電路的通斷來控制高電壓、強電流電路的通斷.

例3（2023·自貢）如圖4所示，R。是一個光敏電阻，光敏電阻的阻值隨光照強度的增加而減小.R是電阻箱（已調至合適阻值），它們和繼電器組成自動控制電路來控制路燈，白天路燈熄滅，夜晚路燈亮起.下列說法正確的是（）

A.電磁鐵上端為N極

B.給路燈供電的電源應接在b、c之間

C.路燈發光時把電能全部轉化為光能

D.控制電路電源電壓減小后，傍晚時路燈比原來早一些亮

解析：根據圖4可知，電流從電磁鐵的上端流入，根據安培定則可知，電磁鐵的上端為S極，A錯誤.晚上的光線暗，光敏電阻的阻值大，電路中的電流小，彈簧將銜鐵彈開，所以要達到晚上燈亮，白天燈滅的目的，給路燈供電的電源應接在a、b之間，B錯誤.路燈工作時將電能轉化為光能、內能，不是全部轉化為光能，C錯誤.電源電壓減小后，在其他條件不變時，根據歐姆定律可知，電路中的電流變小，電磁鐵的磁性變弱，傍晚時路燈比原來早一些亮，D正確.

答案：D

學即用

練一練

1.（2023·宜昌）圖5是一個磁懸浮地球儀，球體內部有一個永磁體，底座通電時地球儀可以懸浮在上方，此時底座相當于一個__________.如果需要連續調節地球儀的懸浮高度，可以通過在底座電路中接來實現.入一個______來實現.

2.（2023·杭州）按如圖6所示的電路進行實驗，將滑動變阻器從右向左移動，電磁鐵吸引的大頭針枚數增多，此實驗說明影響電磁鐵磁性強弱的一個因素是（）

A.電流的大小B.電流的方向

C.線圈的匝數D.鐵芯的粗細

3.圖7所示是一種溫度自動報警器的原理圖.制作水銀溫度計時，在玻璃管的兩端分別封入一段金屬絲.電池的兩極分別和金屬絲相連，當溫度達到與電池正極相連的金屬絲下端所指的溫度時，電鈴就響起來，發出報警信號.下列說法正確的是（）

A.電磁鐵的工作原理是電磁感應

B.電鈴響時，電磁鐵右端是N極

C.溫度計中的水銀是絕緣體

D.溫度降低到74℃以下時，電鈴響

參考答案

1.電磁鐵滑動變阻器 ?2.A ?3.B