法拉第電磁感應(yīng)定律之外的鐵芯技術(shù)

趙繼廣

中國郵政集團有限公司保定市分公司寄遞事業(yè)部 河北保定 071000

一、前言

(一)法拉第電磁感應(yīng)定律說的是“導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢”的規(guī)律

法拉第電磁感應(yīng)定律指出：“導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小和穿過回路所圍面積的磁通量變化率成正比”。從該定律可以看出：

(1)該定律從磁通量的角度敘述了導(dǎo)體回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的規(guī)律；

(2)該定律敘述的感應(yīng)電動勢所對應(yīng)的是回路所圍面積內(nèi)的磁通量變化率。

受該定律的影響，一般研究和講述電磁感應(yīng)都放在了兩個方面：

(1)導(dǎo)體回路所圍面積內(nèi)；

(2)磁通量。

(二)分析“導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢”這一物理現(xiàn)象

通過分析會發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的電磁感應(yīng)現(xiàn)象都源于有變化電流的情況——電流的大小發(fā)生了變化或者是電流和產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的導(dǎo)體回路之間的距離發(fā)生了變化，再或者是此二者同時發(fā)生了變化。這樣，從“導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢”這一物理現(xiàn)象本身來看，則從變化電流的角度總結(jié)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的規(guī)律更直接、更全面，從這個角度我做了一個嘗試，我首先嘗試了一下總結(jié)電流大小變化的情況，我認(rèn)為：電流大小發(fā)生變化時，變化電流在周圍空間產(chǎn)生感生電場[1]——感生電場是順著變化電流的，當(dāng)電流變大時，變化電流在周圍空間產(chǎn)生和變化電流反方向的感生電場，距離變化電流越近，感生電場越大；當(dāng)電流變小時，變化電流在周圍空間產(chǎn)生和變化電流同方向的感生電場，距離變化電流越遠(yuǎn)，感生電場越小[2]；以上總結(jié)把產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的法拉第電磁感應(yīng)定律和判斷感應(yīng)電動勢方向的楞次定律這兩個分開的定律，通過尋找根源融合成了一個整體，同時也“擺脫”了磁通量和“導(dǎo)體回路所圍面積內(nèi)”的束縛，為什么說是束縛呢？這個總結(jié)有意義嗎？我做了如下實驗。

(三)鐵芯實驗

我們知道，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的電磁感應(yīng)定律之所以在生活中被廣泛應(yīng)用，并在現(xiàn)實中被重視，是因為在實際技術(shù)中應(yīng)用了鐵芯，如果沒有鐵芯，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會大打折扣——該定律的實用性會大打折扣。下面我們就從鐵芯角度做實驗考察以上總結(jié)。

“跳出了”電磁感應(yīng)定律后，在“變化電流產(chǎn)生感生電場”看來，鐵芯的作用則不用再著眼于回路內(nèi)的磁通量，因此開始研究鐵芯為什么起作用，進而研究鐵芯主要是哪一部分在起作用——研究發(fā)現(xiàn)，鐵芯起作用的主要部分在于距離電流近的部分，于是通過實驗研究出了空心鐵芯；不再囿于回路內(nèi)(其本質(zhì)是變化電流的一側(cè))后，從而進一步研究出了外用鐵芯，這樣則完全跳出了電磁感應(yīng)定律之“導(dǎo)線所圍繞面積內(nèi)”；更進一步，除了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，外用鐵芯是不是也適用于電磁鐵呢？既然鐵芯在電磁感應(yīng)中于導(dǎo)線所圍面積外能起作用，則在電磁鐵中于導(dǎo)線所圍面積外也應(yīng)該能起作用，實驗發(fā)現(xiàn)，外用鐵芯在電磁鐵中能起到增大產(chǎn)生磁場的作用；跳出法拉第電磁感應(yīng)定律后，鐵芯技術(shù)也在理論上實現(xiàn)了突破。

本研究開展了三個實驗，主要回答了三個問題：

(1)同樣材質(zhì)，相同高度，外徑相同的實心鐵芯和空心鐵芯以同樣的方式應(yīng)用于電磁感應(yīng)實驗，所產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小會接近甚至相同嗎？

(2)在產(chǎn)生感應(yīng)電流的實驗中，同時使用外用鐵芯和內(nèi)用鐵芯比僅使用內(nèi)用鐵芯會產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流嗎？進一步，在外用鐵芯和內(nèi)用空心鐵芯合計質(zhì)量遠(yuǎn)小于內(nèi)用實心鐵芯質(zhì)量的情況下，同時使用外用鐵芯和內(nèi)用空心鐵芯所產(chǎn)生的感應(yīng)電流會遠(yuǎn)大于僅使用內(nèi)用實心鐵芯產(chǎn)生的感應(yīng)電流嗎？

(3)電磁鐵同時使用外用鐵芯和內(nèi)用鐵芯比僅使用內(nèi)用鐵芯產(chǎn)生的磁場大嗎？進一步，如果外用鐵芯和內(nèi)用空心鐵芯的合計質(zhì)量遠(yuǎn)小于內(nèi)用實心鐵芯的質(zhì)量，電磁鐵同時使用外用鐵芯和內(nèi)用空心鐵芯所產(chǎn)生的磁場會大于僅使用內(nèi)用實心鐵芯所產(chǎn)生的磁場嗎？

以下給出本文中內(nèi)用鐵芯、實心鐵芯、空心鐵芯和外用鐵芯的定義。

內(nèi)用鐵芯：通常被導(dǎo)線所纏繞的鐵芯因為在導(dǎo)線內(nèi)，因此稱之為內(nèi)用鐵芯，導(dǎo)線纏繞內(nèi)用鐵芯的橫截面從外到內(nèi)依次是導(dǎo)線、內(nèi)用鐵芯。

實心鐵芯：通常內(nèi)用鐵芯都是實心鐵芯，因此也可稱為內(nèi)用實心鐵芯，導(dǎo)線纏繞實心鐵芯的橫截面從外到內(nèi)依次是導(dǎo)線、實心鐵芯。

空心鐵芯：空心鐵芯也可用于內(nèi)用鐵芯，空心鐵芯用于內(nèi)用鐵芯時導(dǎo)線纏繞空心鐵芯的橫截面從外到內(nèi)依次是導(dǎo)線、空心鐵芯之鐵芯壁、空心；空心鐵芯用于內(nèi)用鐵芯時可稱之為內(nèi)用空心鐵芯。

外用鐵芯：外用鐵芯一般是空心鐵芯，外用鐵芯套在纏繞內(nèi)用鐵芯的導(dǎo)線外面，這時其橫截面從外到內(nèi)依次是外用鐵芯、導(dǎo)線、內(nèi)用鐵芯。

通過以下實驗的開展，本文回答了以上三個問題。此外，本文推出了空心鐵芯和外用鐵芯這兩種鐵芯新形式，在應(yīng)用上達(dá)到了節(jié)約材料、降低成本、方便應(yīng)用和增強效果的目的；在理論上，跳出了以往對電磁感應(yīng)定律和電磁鐵理論的認(rèn)知束縛。

二、空心鐵芯實驗

實驗一：如圖1所示，空心鐵芯是一個圓直筒，圓的外徑9.1厘米，內(nèi)徑7厘米，圓直筒長4.35厘米，將帶有絕緣層的導(dǎo)線(1)在該圓直筒上密繞3圈，導(dǎo)線(1)連接電源和一個40W的燈泡；在導(dǎo)線(1)右側(cè)，帶有絕緣層的導(dǎo)線(2)挨著導(dǎo)線(1)在圓紙筒上密繞3圈，導(dǎo)線(2)連接萬能表；當(dāng)導(dǎo)線(1)回路接通220伏交流電電源時：

1.導(dǎo)線(2)回路連接的萬能表顯示感應(yīng)電流為0.023mA；

2.把空心鐵芯換成材質(zhì)、外圍尺寸相同的實心鐵芯，萬能表顯示感應(yīng)電流也是0.023mA；

3.把空心鐵芯換成外圍尺寸相同的實心木芯，萬能表顯示感應(yīng)電流為0.006mA。

實心鐵芯2263克，空心鐵芯928克，但效果卻非常接近，以上體現(xiàn)了空心鐵芯的實用性。

圖1 空心鐵芯

三、外用鐵芯實驗

實驗二：內(nèi)用實心鐵芯即實驗一所述實心鐵芯；外用鐵芯是一個鐵皮圓直筒，其圓的直徑為9.9厘米，筒長4.35厘米，鐵皮厚度0.01毫米，鐵皮筒約10.69克，如圖2所示；實驗時，內(nèi)用實心鐵芯的外面套一硬圓紙筒，紙筒長4.35厘米，外徑9.35厘米，仿實驗一，將帶有絕緣層的導(dǎo)線(1)在圓紙筒表面密繞5圈后，導(dǎo)線(1)連接電源和一個40W的燈泡形成回路；在導(dǎo)線(1)右側(cè)，帶有絕緣層的導(dǎo)線(2)挨著導(dǎo)線(1)在圓紙筒上密繞5圈，導(dǎo)線(2)連接萬能表形成回路；紙筒上的導(dǎo)線(1)接通電源之220伏交流電時，實驗結(jié)果如下：

圖2 外用鐵芯

1.不用任何鐵芯時，導(dǎo)線(2)連接的萬能表顯示感應(yīng)電流為0.020mA；讓紙筒完全套上內(nèi)用實心鐵芯時，萬能表顯示感應(yīng)電流為0.041mA；紙筒完全套上內(nèi)用實心鐵芯，并在纏繞紙筒的導(dǎo)線(1)和導(dǎo)線(2)外面再套上外用鐵芯時，萬能表顯示感應(yīng)電流為0.056mA；

2.把內(nèi)用實心鐵芯換成實驗一所述空心鐵芯，空心鐵芯置于上述纏繞導(dǎo)線的圓紙筒內(nèi)部時，導(dǎo)線(2)連接的萬能表顯示感應(yīng)電流為0.041mA；紙筒完全套上內(nèi)用空心鐵芯，并在纏繞紙筒的導(dǎo)線(1)和導(dǎo)線(2)外面再套上以上所述外用鐵芯時，萬能表顯示感應(yīng)電流為0.056mA。

外用鐵芯+內(nèi)用空心鐵芯的合計質(zhì)量938.69克，實心鐵芯的質(zhì)量2263克，使用內(nèi)用空心鐵芯+外用鐵芯所產(chǎn)生的感應(yīng)電流卻遠(yuǎn)大于單純使用內(nèi)用實心鐵芯所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，可見外用鐵芯的實用性。

四、電磁鐵鐵芯實驗

實驗三：如圖3所示，內(nèi)用實心鐵芯即實驗一所述實心鐵芯，將帶有絕緣層的導(dǎo)線在該鐵芯外面從一端繞起，密繞17匝制造成電磁鐵(1)；外用鐵芯(2)為圓筒狀，長4.35厘米，其內(nèi)徑9.6厘米，外徑10.8厘米，外用鐵芯約670克；檢驗磁場強弱的所用鐵片(3)長12.5厘米，寬0.15厘米，厚0.01厘米；實驗結(jié)果如下：

1.讓電磁鐵(1)開始纏繞導(dǎo)線的一端底面向下，在該電磁鐵的正下方2.5毫米處平放鐵片(3)，鐵片(3)的中心在電磁鐵(1)底面中心的投影處，當(dāng)纏繞電磁鐵(1)的導(dǎo)線連接一個1號干電池接通電源時，此電磁鐵(1)不能吸引起此鐵片(3)；在電磁鐵(1)外面套上外用鐵芯(2)后則能吸引起所述鐵片(3)。

2.用實驗一所述空心鐵芯替換實心鐵芯制造成一個電磁鐵(2)，電磁鐵(2)外面的導(dǎo)線纏繞和電磁鐵(1)外面的導(dǎo)線纏繞完全相同，當(dāng)纏繞電磁鐵(2)的導(dǎo)線連接一個1號干電池接通電源時，電磁鐵(2)不能吸引起鐵片(3)；在電磁鐵(2)外面套上外用鐵芯(2)后則能吸引起所述鐵片(3)。

外用鐵芯+內(nèi)用空心鐵芯合計為1598克，其磁場引力卻大于內(nèi)用實心鐵芯2263克的情況，可見外用鐵芯用于電磁鐵實用性也很強。

密繞17匝內(nèi)用實心鐵芯

密繞17匝內(nèi)用空心鐵芯圖3

五、什么是鐵芯

“芯”的本義是指中間的部分，因為原來的鐵芯都是在導(dǎo)線纏繞內(nèi)的，因此有了最初鐵芯的概念；鐵芯作為物理名詞，其物理作用主要在于用于電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁鐵技術(shù)。從物理作用的角度定義，鐵芯的作用則在于能在電磁感應(yīng)技術(shù)中增大產(chǎn)生感生電場和在電磁鐵技術(shù)中能增大產(chǎn)生磁場。從物理作用的角度定義，則無論鐵芯是否在導(dǎo)線內(nèi)，只要在電磁感應(yīng)技術(shù)中能增大產(chǎn)生感應(yīng)電流或者在電磁鐵技術(shù)中能增大產(chǎn)生磁場，就應(yīng)該統(tǒng)稱為鐵芯；外用鐵芯雖然用于導(dǎo)線外面，而從其物理作用的角度來看，則稱其為鐵芯是合適的。

六、總結(jié)

本文對鐵芯的研究是在“變化電流產(chǎn)生感生電場”的理論基礎(chǔ)上進行的，所研究的內(nèi)容是“法拉第電磁感應(yīng)定律”之外的。法拉第電磁感應(yīng)定律指出：導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小和穿過回路所圍面積的磁通量變化率成正比。在該定律的指導(dǎo)下，關(guān)注磁通量，因此一般不會去考慮空心鐵芯；在“變化電流產(chǎn)生感生電場”的理論下，不需要去考慮磁通量，而會去思考鐵芯為什么起作用，會去思考鐵芯主要是哪一部分在起作用，從而去嘗試和實驗空心鐵芯；電磁感應(yīng)定律研究的是回路所圍的部分，“外用鐵芯”是在回路所圍之外的——是在“變化電流產(chǎn)生感生電場”的理論下進行的對鐵芯較全面的研究。通過實驗進一步研究發(fā)現(xiàn)，空心鐵芯、外用鐵芯也適用于電磁鐵。

鐵芯已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁鐵技術(shù)，鐵芯主要有兩個作用：一個是在變化電流產(chǎn)生感應(yīng)電流時，應(yīng)用鐵芯可以增大產(chǎn)生感應(yīng)電流；一個是在電磁鐵中，應(yīng)用鐵芯可以增大產(chǎn)生磁場。本文通過實驗，創(chuàng)新了鐵芯的形式和應(yīng)用，研究出了空心鐵芯和外用鐵芯；空心鐵芯的推出可以節(jié)約成本，并且方便應(yīng)用；外用鐵芯則是另一個新形式，外用鐵芯的推出可以大幅度提高效果，用于電磁感應(yīng)技術(shù)可以更好地增大產(chǎn)生感應(yīng)電流，用于電磁鐵可以更大地增大磁場；內(nèi)用空心鐵芯+外用鐵芯的應(yīng)用不僅能節(jié)約成本和提高效果，還能大幅度的方便應(yīng)用，無論在儀器工具方面還是在武器方面，都可以有較高的實用價值。

本文對鐵芯進行了重新定義，提出了內(nèi)用鐵芯、實心鐵芯、空心鐵芯、外用鐵芯等概念。此定義拓展了對鐵芯的認(rèn)知，不僅方便應(yīng)用，也會對研究鐵芯產(chǎn)生更遠(yuǎn)的意義和影響。

(以上技術(shù)已申請專利)