探究影响电磁铁磁性强弱的因素

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电磁铁在技术上的广泛应用，是因为它在很多方面优于天然磁铁，今天我们回顾前人在电磁铁这一领域的研究历程，不但能从中获得相关知识，更能够从中汲取探究问题、发现规律的方法与智慧，必将有助于我们创造意识和创造能力的形成。

一、从奥斯特的发现说起

自奥斯特发现电流周围存在磁场之后，人们意识到电流的磁场应该比天然磁铁更有应用价值，因为，由图1所示的奥斯特模拟实验可知，像通电导线这样的“磁体”，第一，它的磁性可以“招之即来、挥之即去”，通电时有磁性。断电后磁性消失，即电流磁场的有与无可以由通、断电来控制；第二，改变导线中的电流方向。小磁针的偏转方向随之改变，即电流磁场的方向可以由改变电流方向来控制。

由此思考：既然有电流才有磁场，而且电流的方向会影响磁场的方向，那么电流的大小会不会对磁场有影响?当改变电池节数(改变电源电压从而改变电流)或在电路中接入变阻器(改变电阻从而改变电流)重做图1所示实验时，结果发现：电流越大，导线周围的磁场越强，这就发现了电流磁场的又一个优点：磁场的强弱可以通过改变电流的大小来控制。

二、办法总比困难多

电流产生的磁场虽然有上述诸多优点，但由直线电流产生的磁场有一个致命弱点，就是要获得较强的磁场相当困难，问题在于：第一，通过提高电流增强磁场受到一定的限制；第二，直线电流的磁场比较分散。

比如图1所示的实验，其实是短路实验，由于短路电流极大，只能短时间进行，否则会损坏电源，显然不能进行实际运用，于是，人们自然会想到另一种方法，即在电路中增加电阻(避免短路)的同时增大电源电压，但是，由焦耳定律(Q=I2Rt)知道，电流越大产生的电热越多，会导致导线过热，能量损失过大，甚至会烧坏导线，因此，增强磁场的方法不能完全依赖于在单根导线中增大电流，必须进一步思考其他途径，于是，人们又想到了如图2所示“多股同向电流集合”的方法，并被实验证明是可行的，但“直线电流磁场比较分散”的缺陷仍然没有得到解决……如此不断地思考、实验、改进，终于找到了一个巧妙的方法――将直导线绕成如图3所示的螺线管(也称线圈)，既实现了“多股同向电流集合”，又能使磁场比较集中，这样，即使在电流不太大的情况下，

也能获得较强的磁场。

三、从螺线管到电磁铁

实验表明，通电螺线管的磁场分布特点与条形磁铁极为相似：其两端分别是N、S两个磁极，通电螺线管的磁场强弱，除了可以通过改变电流大小来改变之外，还可以通过改变所绕的圈数(匝数)来改变――匝数越多，意味着平行电流越多，因而磁场越强，而且，改变电流方向可以改变磁极的性质。

进一步探究发现，螺线管绕在不同材料的芯体上时，其磁场强弱也会发生变化，例如绕在铁质材料的芯体上时，其磁场会大大增强，而绕在其他材料的芯体上时，其磁场不发生变化，这就又增加了一条增强螺线管磁场的途径，即在螺线管中加入铁芯，物理学中，就把带有铁芯的通电螺线管(线圈)称为“电磁铁”，如图4所示，为什么在线圈中加入铁芯能增强磁性呢?这是因为，处在线圈内的铁芯会被磁场磁化成有磁性的磁体，从而能使线圈的磁性得到加强。

至此，我们已经全面地了解了影响电磁铁磁性强弱的因素：一是通过线圈的电流大小；二是线圈的匝数；三是线圈中的铁芯，正由于电磁铁可以在电流不太大的情况下，能够通过增加线圈匝数和改变铁芯来增强磁性，因而使得电磁铁得到了广泛的实际应用，比如电磁起重机的核心部件就是一个磁性很强的电磁铁。

四、探究与应用例析

从奥斯特直线电流实验到电磁铁的诞生，我们初步领略了前人在探求电流磁场实用价值的历程中，发挥出的创造性智慧，但在前面的论述中，我们还没有具体关注到探究方法，现在，让我们从具体的探究与应用问题中加以认识。

例1 关于“电磁铁的磁性可能与哪些因素有关”，同学们由相关推理认识到：一是可能与通过线圈的电流有关，电流越大其磁性越强；二是可能与线圈的匝数有关，匝数越多其磁性越强，现在利用图5所示的实验器材做实验，请回答或完成相关问题。

1　该实验是通过________来显示电磁铁磁性强弱的。

2　请画线代替导线，将图5中的器材连成实验电路，要求：该电路既能用来验证磁性强弱与线圈匝数的关系，也能用来验证磁性强弱与电流大小的关系。

3　实验操作与得出结论

(1)当验证磁性强弱与线圈匝数的关系时，对甲、乙两个电磁铁与大头针(堆)的距离有何要求?_______：闭合开关后，观察比较_______可得出结论，

(2)当验证磁性强弱与线圈中电流大小的关系时，可通过_______来改变电路中的电流，通过观察比较_______从而得出结论，

解析　1、在没有测量磁性强弱仪器的情况下，我们凭什么来判断磁性的强弱?这就需要“替代物”，使得磁性的强弱变得“可以观察”，我们已经知道磁体能够吸引铁类物体，磁性越强能吸引的铁类物体就越重或越多，因此，本实验就是通过“吸引大头针的多少”来显示磁性强弱的。

2　题目要求实验电路两个实验都能做，为此应做这样的思考：如果仅做“验证磁性强弱与电流大小关系”的实验，可以只用一个电磁铁(甲或乙)，或者两个磁铁都使用；但是。如果要做“验证磁性强弱与线圈匝数关系”的实验，则必须同时使用两个磁铁，并且要保证通过两者的电流相同(体现控制变量方法)，因此应该组成串联电路，考虑到验证磁性强弱与电流大小的关系，所以连接电路时。应注意滑动变阻器的正确连接，答案如图6所示。

3　(1)经验告诉我们，其实磁铁吸铁的能力是跟磁铁与铁的距离有关的，离得越近越容易吸，这说明，磁铁周围空间的磁性是不一样的。离磁铁越远的地方磁铁的吸引力越弱，懂得这一点，将有助于回答本问题的第一个填空，第一空的答案是：使甲、乙两个电磁铁(铁钉尖部)到大头针(堆)的距离都要近一些。并且两者距离相等(体现控制变量方法)，第二空的答案相对简单，答案是：甲、乙两个电磁铁吸引大头针的多少(数目)，

(2)第一空的答案是：移动变阻器滑片，第二空虽然也是比较吸引大头针多少，但在表达上与上一问题是略有差异的，上一问题是两个电磁铁比较，而本问题是各自先后比较，因此，第二空的答案是：改变电流前后，两个磁铁各自吸引大头针的多少(数目)，

例2　如图7所示电路中，M是一个电磁铁，它的线圈除了两端可以接入电路外，其中间还引出了一个接头d，也可以接入电路，要使电磁铁磁性最强，应将开关S与线圈的_______接通，并将变阻器的滑片P移至_______端。

解析对电磁铁来说，线圈匝数越多，通过的电流越大，它的磁性越强，当开关S接到c时，电磁铁连人电路的线圈匝数最多，而滑动变阻器的滑片P滑到最右端(b端)时，电路中的电阻最小，电流最大，综合这两个因素，要使电磁铁M的磁性最强，应将开关接到c位置，并将滑动变阻器滑片P移至b端。

提示　通常都是用改变电流的方法来改变电磁铁的磁性，但不要忘记，改变线圈匝数也是改变电磁铁磁性的措施，而且改变铁芯或改变铁芯在线圈中的位置也是改变电磁铁磁性的措施，请看例3。

例3　如图8所示的电路中，电磁铁中间的铁芯可以在线圈中间左右移动，现在看到铁芯有一部分露在线圈外面，如果将电路接通，请你说说，你有几种方法来改变该电磁铁的磁性。

解析　方法一：移动滑动变阻器的滑片，改变电路中的电流，可以改变电磁铁的磁性；方法二：将铁芯向里插入或向外拔出一些，可以改变电磁铁的磁性。

提示 关于铁芯插入或拔出对电磁铁磁性的影响，课本中似乎并没有涉及到，其实很容易推理：没有铁芯的通电螺线管磁性弱，而有了铁芯后磁性会增强，那么介于这二者之间的情况是，铁芯全部插入时应该比铁芯部分插入时的磁性强。