電磁鐵

電磁鐵 (Electromagnet)
國立臺灣大學物理學系 陳昱璟

電磁鐵 (Electromagnet) 為一個將電能轉換為磁場的裝置，藉由電流磁效應來產生磁場，當電流停止，磁場也隨之消失，一般的電磁鐵通常做成螺線管，中心會放入鐵磁性物質，如：鐵、鎳，來增加磁場的強度，產生更強的電磁鐵。螺線管中的磁場方向可由安培右手定則得知，圖一為螺線管的剖面圖，點代表電流流出螢幕，叉代表電流流出螢幕，而箭頭線則代表磁力線。

圖一、螺線管之剖面圖，內部的磁力線分布。（本文作者陳昱璟繪）

電磁鐵相較於一般磁鐵最大的優點：藉由調整電流的大小，可以快速地改變磁場的強度，但是缺點就是需要輸入電能才能產生磁場，需要消耗電能。

西元 1820 年，丹麥物理學家漢斯•奧斯特 (Hans Christian Ørsted) 發現當一條通有電流的導線靠近磁針時，可以使磁針轉動，進而發現電流可以產生磁場，此現象稱之電流磁效應，而英國科學家思特金 (William Sturgeon，1783-1850) 於 1824 年利用電流磁效應發明了電磁鐵，如圖二，他將銅線綑綁在馬蹄形狀的鐵條上，鐵條上有塗上油漆來絕緣，當有電流通過時，鐵條如同一個馬蹄形的磁鐵，而電流停止時，鐵條則失去它的磁性。但是思特金所製造的電磁鐵強度很弱，因為他的銅線外表並沒有絕緣，所以，僅能單層纏繞，線圈密度不高。

圖二、威廉•思特金 (William Sturgeon) 所發明的電磁鐵。（引用自參考文獻 1）

直到 1827 年，美國科學家亨利 (Joseph Henry, 1797-1878) 在銅線外側包覆絲綢絕緣，使電磁鐵可以纏繞多層線圈，進而提高了線圈密度，讓電磁鐵的磁力大幅增加，當時實驗中，僅使用普通的電池就可以吸起近一噸重的物品。

電磁鐵在我們的生活中也有許多應用，像是喇叭、電風扇、吹風機內部都有電磁鐵。舉喇叭為例：喇叭內部將電流訊號轉換為聲音，便是利用電磁鐵將電流訊號的變化轉換成磁場的變化，再經由與喇叭原有的磁場作用，使薄膜產生振動發出聲音。

隨著科技的進步，科學家尋求更加強力的電磁鐵，因金屬內仍有微小電阻，當電流逐漸加大時，電流熱效應便十分嚴重，產生的熱能可能使電線融化，因此，往往需要外加冷卻系統，來冷卻整個裝置。隨著超導體的發現，科學家利用超導體零電阻的特性來做為導線的材料，大幅降低了電流熱效應的影響，現今，此種超導體電磁鐵已被用於粒子加速器與磁振造影 (MRI) 上。

參考文獻

1. Electromagnet —http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnet
2. 揚聲器｜維基百科。http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8F%9A%E8%81%B2%E5%99%A8