从磁悬浮列车谈起

刘凤伶 管余

走进我国上海市，一条高架轨道上，列车疾驶而来转瞬而去，就像传说中的神龙一样.这就是会“飞”的有着“零高度飞行器”美誉的磁悬浮列车.磁悬浮列车是用具有强大电流的磁体工作的，那么电流产生的磁场是怎样的呢？我们一起认识电流的磁效应吧.

“电生磁”的概念

通电导线周围存在与电流方向相关的磁场，这种现象称为电流的磁效应.1820年丹麦物理学家奥斯特终于用实验证实通电导线的周围存在着磁场，在世界上第一个发现了电与磁之间的联系.奥斯特的发现激发了科学家们的探索热情.他们让电流通过弯成各种形状的导线，研究电流产生的磁场.

其中，用导线绕成的螺线管应用非常广泛.

通电螺线管周围的磁场是什么样的呢？

我们可以利用转换法，将小铁屑均匀撒在通电螺线管周围的有机玻璃板上，通过观察铁屑的分布情况来认识磁场的分布情况.同学们画出通电螺线管外部磁感线后，通过比较可以判断出通电螺线管外部磁场与条形磁体的磁场相似，螺线管的两端相当于条形磁体的N、S极，磁场的方向与电流的方向有关，可用安培定则来判定.

安培定则的内容为：用右手握住螺线管，让四指指向螺线管中电流的方向，则拇指所指的那端就是螺线管的N极.

例1（2023·铁岭）小磁针在电磁铁磁场的作用下静止在如图1所示的位置，请标出：

（1）电磁铁左端的磁极的名称（用“N”或“S”表示）.

（2）图中磁感线的方向.

（3）螺线管的右端导线连接电源的极性

（用“+”或“-”表示）.

解析：小磁针右端为N极，由磁极间的相互作用规律可知电磁铁的右端为S极，左端为N极.利用安培定则可以判断出线圈中电流的方向是从外到里，在电源的外部，电流是从电源正极出发，回到电源负极的，因此电源的右（N）端为正极，左端为负极.在磁体外部，磁感线方向是从N极指向S极.

答案：如图2所示.

“电生磁”的应用

1.电磁铁

电磁铁是带铁芯的螺线管.在螺线管内插一根铁芯，当电流通过螺线管时，螺线管中的铁芯就被电流的磁场磁化成磁铁，使螺线管的磁性增强；当没有电流时，它们的磁性就立即消失了.电磁铁就是根据这个道理制成的.

电磁铁磁性的有无可由电流的有无决定；电磁铁两端的极性由电流的方向决定；电磁铁的磁性强弱与线圈匝数的多少和通过电流的大小有关.线圈的匝数越多，通过的电流越大，电磁铁的磁性越强.

例2（2023·赤峰，改编）学习了电磁铁的知识，小明想：“电磁铁两极磁性强弱是否相同呢？”图3甲是他探究该问题的装置图.

（1）通电后，电磁铁A端是_______极.

（2）闭合开关后，弹簧测力计的示数太小，要使其示数变大，滑动变阻器滑片P应端移动.将滑动变阻器调节完成后，向_______读出弹簧测力计的示数.

（3）在原位置将电磁铁两端对调，使B端向上，保持滑动变阻器滑片位置不动，观察到弹簧测力计示数与（2）中的相同.初步可得出的结论是：电磁铁两极磁性强弱（填“相同”或“不同”）.

（4）完成上述实验后，小明又按如图3乙所示的装置探究影响电磁铁磁性强弱的因素.把电磁铁a和b串联，闭合开关，多次移动滑动变阻器的滑片P，发现电磁铁b总能吸引更多的大头针，通过比较，得出的结论是__________

（5）电磁铁在生活中应用广泛，请举一例：__________

解析：（1）通电后，根据安培定则可知，电磁铁A端是S极.

（2）要使弹簧测力计的示数变大，需使电磁铁的磁性增强，应将滑动变阻器滑片P向左端移动，此时滑动变阻器接入电路的电阻减小，电流增大，电磁铁磁性增强.

（3）保持滑动变阻器滑片位置不动，在原位置将电磁铁两端对调，使B端向上，此时电流大小不变，观察到弹簧测力计示数与（2）中的相同，说明电磁铁两极的磁性强弱相同.初步

可得出的结论是：电磁铁两极磁性强弱相同.

（4）图3乙中电磁铁a和b中电流大小

相同，电磁铁b的线圈匝数多，电磁铁b吸引的大头针多，说明电磁铁b的磁性强.所以可以得出的结论是：电流相同时，线圈的匝数越多，电磁铁的磁性越强.

（5）电磁铁的应用十分广泛，有电铃、电磁继电器、空气开关等.

答案：（1）S（2）左（3）相同（4）电流相同时，线圈的匝数越多，电磁铁的磁性越强（5）电铃（或电磁继电器或空气开关等）

点评：通过弹簧测力计示数的大小或电磁铁吸引大头针的多少来判定电磁铁磁性的强弱，这种间接的判断方法就是转换法.

2.电磁继电器

电磁继电器是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关，电磁继电器由控制电路和工作电路构成.它可以用低电压、弱电流电路的通断来控制高电压、强电流电路的通断.

例3（2023·自贡）如图4所示，R。是一个光敏电阻，光敏电阻的阻值随光照强度的增加而减小.R是电阻箱（已调至合适阻值），它们和继电器组成自动控制电路来控制路灯，白天路灯熄灭，夜晚路灯亮起.下列说法正确的是（）

A.电磁铁上端为N极

B.给路灯供电的电源应接在b、c之间

C.路灯发光时把电能全部转化为光能

D.控制电路电源电压减小后，傍晚时路灯比原来早一些亮

解析：根据图4可知，电流从电磁铁的上端流入，根据安培定则可知，电磁铁的上端为S极，A错误.晚上的光线暗，光敏电阻的阻值大，电路中的电流小，弹簧将衔铁弹开，所以要达到晚上灯亮，白天灯灭的目的，给路灯供电的电源应接在a、b之间，B错误.路灯工作时将电能转化为光能、内能，不是全部转化为光能，C错误.电源电压减小后，在其他条件不变时，根据欧姆定律可知，电路中的电流变小，电磁铁的磁性变弱，傍晚时路灯比原来早一些亮，D正确.

答案：D

学即用

練一练

1.（2023·宜昌）图5是一个磁悬浮地球仪，球体内部有一个永磁体，底座通电时地球仪可以悬浮在上方，此时底座相当于一个__________.如果需要连续调节地球仪的悬浮高度，可以通过在底座电路中接来实现.入一个______来实现.

2.（2023·杭州）按如图6所示的电路进行实验，将滑动变阻器从右向左移动，电磁铁吸引的大头针枚数增多，此实验说明影响电磁铁磁性强弱的一个因素是（）

A.电流的大小B.电流的方向

C.线圈的匝数D.铁芯的粗细

3.图7所示是一种温度自动报警器的原理图.制作水银温度计时，在玻璃管的两端分别封入一段金属丝.电池的两极分别和金属丝相连，当温度达到与电池正极相连的金属丝下端所指的温度时，电铃就响起来，发出报警信号.下列说法正确的是（）

A.电磁铁的工作原理是电磁感应

B.电铃响时，电磁铁右端是N极

C.温度计中的水银是绝缘体

D.温度降低到74℃以下时，电铃响

参考答案

1.电磁铁滑动变阻器  2.A  3.B