揭开电磁学的神秘面纱，第7部分-螺线管
带电流产生磁场的线圈通常被称为螺线管。然而，从工业角度来看，术语螺线管是指引起铁磁磁芯或柱塞直线运动的电磁装置。严格来说，这被认为是一个线性执行器电磁阀。就像继电器依赖于铰链式电枢的运动一样，螺线管可以用来切换电路。它也可以用来刺穿水果，或者至少尝试这样做。
有点业余的实验
在尝试用仿真来解释螺线管的电磁行为之前，让我们先来看看自制的螺线管。
从它的构造可以看出，我不太擅长制作东西。原理虽然是一个线圈的铜线绕在一个圆柱体，在这种情况下，部分圆珠笔(圆珠笔)的外壳。电线包有漆包膜，以免自身短路。电线线圈是由2粘在硬纸板“洗衣机”(这是我所有的手!)。
在圆珠笔的中间放置一个铁磁核心。我唯一能找到的铁磁核是一颗钉子。当在导线两端施加电压时，电流就会流动，从而产生磁场，在比罗套管内产生的磁场尤为强烈。这导致钉子本身被磁化。由于所产生的磁场的性质(我们将在接下来更详细地研究)，钉子被迫进入圆珠笔外壳，在中间休息。
在此向那些在实验方面有最模糊天赋的人道歉，这里有一段螺线管被“打开”和钉子移动的视频。施加的电压来自标准汽车电池(12.6V)。
钉子和线圈实际上是相互吸引的。2螺丝只是为了确保线圈不移动，所以只有钉子。
异性相吸(再次)
正如我们在第6部分在美国，中继的功能是确保铁磁几何结构的构建，使北极和南极彼此非常接近。相反的两极相互吸引，这就是导致铰链电枢移动的原因。
让我们尝试用吸引磁极的简单概念来描述铁磁磁芯的运动。使用前面的Simcenter磁铁线圈模型，这里是磁芯部分在线圈内部时的磁场:
铁芯+线圈一起形成一个环形的连续磁场。铁芯+线圈可以被认为是一个单一的“对象”。它的北极和南极是磁通量分别离开和进入这个“物体”的表面:
相反的两极相互吸引，所以磁铁被压缩了。事实上，所有的永磁体都处于压缩状态，只是它们的机械强度太大，不会变形。实际上，即使是线圈本身也处于压缩状态正如彼得和佩特罗尼拉所展示的那样第3部分。对于这个核心+线圈对象虽然，线圈内的空气(北极位)很容易被取代。线圈固定在空间中，即北极固定，然后向右移动的是磁芯。
当磁芯位于线圈的中心位置时，达到压缩平衡:
过于简单?
固体物体在磁场中所受的力有多种解释方法。上面的方法是在之前的博客中“两极吸引”方法的基础上发展而来的。只是这一次，当两极相互吸引时，系统会变形，特别是核心会平移。故意简化的解释。
橡皮筋的类比是另一种用来定性描述磁力的方法:
如果将向量B场的“流线”(使用流体类比)视为橡皮筋，则系统将寻求所有橡皮筋中的弹性应变能最小的平衡。甚至这种方法可能过于简单，因为橡皮筋的弹性本身就是沿着它的B场强度的函数。
举棋不定
由于磁芯最初加速到线圈的中心，它的动量增加。如果没有摩擦力或流体作用在它身上，它就会越过中心位置，并被吸引回中心的另一个方向。在模型系统中没有其他损失的情况下，地核将继续无限期地围绕这个中心点摇摆。下面的动画显示了核心在前几个周期的振荡，接近重复振荡状态:
在螺线管钉实验中，钉与圆珠笔套管之间的摩擦占主导地位，钉在线圈中集中沉降，只有一个非常短暂的超调。可以在Simcenter MAGNET中设置摩擦系数来模拟这种损失。
对水果的暴力
“我没有什么特殊才能。我只是非常好奇。”——阿尔伯特·爱因斯坦，1952年3月11日受这位伟人本人的启发，我很好奇钉子螺线管是否足够强大，可以刺穿一颗葡萄(那天天气很冷)。
回答:没有。
我想这只是激怒了葡萄。钉子太重/钉子和圆珠笔外壳之间的摩擦太大/没有足够的电流被抽出/葡萄的位置离螺线管的出口不够近。
施加在钉子上的力是螺线管内磁通量密度(B)的函数。磁通密度反过来与线圈匝数x电流有关(这是安培定律)。有趣的是，对于一个固定电压的电源，如果你把线圈匝数减半，电阻就会减半，因此输出的电流就会翻倍。所以不管转10圈还是1000圈，磁通密度的大小和作用在钉子上的力都是差不多的。当然，如果你的匝数太少，就会吸收更多的电流，焦耳加热就会开始起主导作用，温度就会上升，物体就会融化。
Anecjoke
到目前为止，这个博客系列一直非常关注DC。如果你应用一个交流电到螺线管，核心仍然会被吸引到线圈的中心。即使电流在一个方向和另一个方向之间转换，电流流过线圈的哪个方向都无关紧要，磁芯总是被线圈的中心吸引。使用上面的类比，橡皮筋的弹性不依赖于方向。
然而，与交流电源，电流将为零两次，每周期。作用在磁芯上的力(B的函数，B是电流的函数)在这些时间点将为零。由于螺线管装置的磁芯附着在回弹上，回弹力在这些时候会使磁芯移动一点。这就产生了一种振动。振动是不好的，它们可以传播，当然可以听到嗡嗡声，随着时间的推移，固定外壳的螺丝会松动。这就是为我们的浴室抽风机供电的小外壳发生的事情:
一个好的电磁执行器将有一个遮光环或遮光线圈。当交流电源通过零电流点时，一些额外的导线匝数有助于保留一些磁通密度。一个包含设计良好的螺线管的单元成本更高。一分钱一分货
