從磁懸浮列車談起

劉鳳伶 管余

走進(jìn)我國(guó)上海市，一條高架軌道上，列車疾駛而來轉(zhuǎn)瞬而去，就像傳說中的神龍一樣.這就是會(huì)“飛”的有著“零高度飛行器”美譽(yù)的磁懸浮列車.磁懸浮列車是用具有強(qiáng)大電流的磁體工作的，那么電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是怎樣的呢？我們一起認(rèn)識(shí)電流的磁效應(yīng)吧.

“電生磁”的概念

通電導(dǎo)線周圍存在與電流方向相關(guān)的磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應(yīng).1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特終于用實(shí)驗(yàn)證實(shí)通電導(dǎo)線的周圍存在著磁場(chǎng)，在世界上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系.奧斯特的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了科學(xué)家們的探索熱情.他們讓電流通過彎成各種形狀的導(dǎo)線，研究電流產(chǎn)生的磁場(chǎng).

其中，用導(dǎo)線繞成的螺線管應(yīng)用非常廣泛.

通電螺線管周圍的磁場(chǎng)是什么樣的呢？

我們可以利用轉(zhuǎn)換法，將小鐵屑均勻撒在通電螺線管周圍的有機(jī)玻璃板上，通過觀察鐵屑的分布情況來認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)的分布情況.同學(xué)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(chǎng)與條形磁體的磁場(chǎng)相似，螺線管的兩端相當(dāng)于條形磁體的N、S極，磁場(chǎng)的方向與電流的方向有關(guān)，可用安培定則來判定.

安培定則的內(nèi)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(chǎng)的作用下靜止在如圖1所示的位置，請(qǐng)標(biāo)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(dǎo)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(guī)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(fā)，回到電源負(fù)極的，因此電源的右（N）端為正極，左端為負(fù)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(yīng)用

1.電磁鐵

電磁鐵是帶鐵芯的螺線管.在螺線管內(nèi)插一根鐵芯，當(dāng)電流通過螺線管時(shí)，螺線管中的鐵芯就被電流的磁場(chǎng)磁化成磁鐵，使螺線管的磁性增強(qiáng)；當(dāng)沒有電流時(shí)，它們的磁性就立即消失了.電磁鐵就是根據(jù)這個(gè)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(qiáng)弱與線圈匝數(shù)的多少和通過電流的大小有關(guān).線圈的匝數(shù)越多，通過的電流越大，電磁鐵的磁性越強(qiáng).

例2（2023·赤峰，改編）學(xué)習(xí)了電磁鐵的知識(shí)，小明想：“電磁鐵兩極磁性強(qiáng)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(guān)后，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)太小，要使其示數(shù)變大，滑動(dòng)變阻器滑片P應(yīng)端移動(dòng).將滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)完成后，向_______讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù).

（3）在原位置將電磁鐵兩端對(duì)調(diào)，使B端向上，保持滑動(dòng)變阻器滑片位置不動(dòng)，觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)與（2）中的相同.初步可得出的結(jié)論是：電磁鐵兩極磁性強(qiáng)弱（填“相同”或“不同”）.

（4）完成上述實(shí)驗(yàn)后，小明又按如圖3乙所示的裝置探究影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素.把電磁鐵a和b串聯(lián)，閉合開關(guān)，多次移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片P，發(fā)現(xiàn)電磁鐵b總能吸引更多的大頭針，通過比較，得出的結(jié)論是__________

（5）電磁鐵在生活中應(yīng)用廣泛，請(qǐng)舉一例：__________

解析：（1）通電后，根據(jù)安培定則可知，電磁鐵A端是S極.

（2）要使彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)變大，需使電磁鐵的磁性增強(qiáng)，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器滑片P向左端移動(dòng)，此時(shí)滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻減小，電流增大，電磁鐵磁性增強(qiáng).

（3）保持滑動(dòng)變阻器滑片位置不動(dòng)，在原位置將電磁鐵兩端對(duì)調(diào)，使B端向上，此時(shí)電流大小不變，觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)與（2）中的相同，說明電磁鐵兩極的磁性強(qiáng)弱相同.初步

可得出的結(jié)論是：電磁鐵兩極磁性強(qiáng)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(shù)多，電磁鐵b吸引的大頭針多，說明電磁鐵b的磁性強(qiáng).所以可以得出的結(jié)論是：電流相同時(shí)，線圈的匝數(shù)越多，電磁鐵的磁性越強(qiáng).

（5）電磁鐵的應(yīng)用十分廣泛，有電鈴、電磁繼電器、空氣開關(guān)等.

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

點(diǎn)評(píng)：通過彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)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(qiáng)弱，這種間接的判斷方法就是轉(zhuǎn)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(guān)，電磁繼電器由控制電路和工作電路構(gòu)成.它可以用低電壓、弱電流電路的通斷來控制高電壓、強(qiáng)電流電路的通斷.

例3（2023·自貢）如圖4所示，R。是一個(gè)光敏電阻，光敏電阻的阻值隨光照強(qiáng)度的增加而減小.R是電阻箱（已調(diào)至合適阻值），它們和繼電器組成自動(dòng)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(yīng)接在b、c之間

C.路燈發(fā)光時(shí)把電能全部轉(zhuǎn)化為光能

D.控制電路電源電壓減小后，傍晚時(shí)路燈比原來早一些亮

解析：根據(jù)圖4可知，電流從電磁鐵的上端流入，根據(jù)安培定則可知，電磁鐵的上端為S極，A錯(cuò)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(dá)到晚上燈亮，白天燈滅的目的，給路燈供電的電源應(yīng)接在a、b之間，B錯(cuò)誤.路燈工作時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為光能、內(nèi)能，不是全部轉(zhuǎn)化為光能，C錯(cuò)誤.電源電壓減小后，在其他條件不變時(shí)，根據(jù)歐姆定律可知，電路中的電流變小，電磁鐵的磁性變?nèi)?，傍晚時(shí)路燈比原來早一些亮，D正確.

答案：D

學(xué)即用

練一練

1.（2023·宜昌）圖5是一個(gè)磁懸浮地球儀，球體內(nèi)部有一個(gè)永磁體，底座通電時(shí)地球儀可以懸浮在上方，此時(shí)底座相當(dāng)于一個(gè)__________.如果需要連續(xù)調(diào)節(jié)地球儀的懸浮高度，可以通過在底座電路中接來實(shí)現(xiàn).入一個(gè)______來實(shí)現(xiàn).

2.（2023·杭州）按如圖6所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將滑動(dòng)變阻器從右向左移動(dòng)，電磁鐵吸引的大頭針枚數(shù)增多，此實(shí)驗(yàn)說明影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的一個(gè)因素是（）

A.電流的大小B.電流的方向

C.線圈的匝數(shù)D.鐵芯的粗細(xì)

3.圖7所示是一種溫度自動(dòng)報(bào)警器的原理圖.制作水銀溫度計(jì)時(shí)，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(dāng)溫度達(dá)到與電池正極相連的金屬絲下端所指的溫度時(shí)，電鈴就響起來，發(fā)出報(bào)警信號(hào).下列說法正確的是（）

A.電磁鐵的工作原理是電磁感應(yīng)

B.電鈴響時(shí)，電磁鐵右端是N極

C.溫度計(jì)中的水銀是絕緣體

D.溫度降低到74℃以下時(shí)，電鈴響

參考答案

1.電磁鐵滑動(dòng)變阻器 ?2.A ?3.B