1.9 电磁学的应用

电磁学是物理学的一个分支，它研究电流或电场与磁场及其对物质的相互作用。电磁学在工程应用领域引发了一场巨大的革命。此外，它还对医疗、工业、航天等诸多领域产生了深远的影响。

在日常生活中，从家用电器到科研应用，电磁学的应用无处不在。

在家庭应用中，电磁学现象体现在照明、加热和厨房电器中；在通信系统中，它存在于所有电信设备和通信网络中；在工业系统中，它被应用于电机、发电机、传感器和执行器等设备中。

如果将一根载流导体缠绕在高磁导率的铁芯上，就可以制成一个电磁铁。如果对这个电磁铁进行激励，就会产生磁场。磁场的强度取决于通过电磁铁的电流以及缠绕在其上的匝数。

尽管所有载流导体都会产生磁场，但电磁铁是专门为特定功能而设计的，以最大化磁场的强度。

电磁铁产生的磁场用于实现特定功能的设备，这些设备包括变压器、继电器、电机等。在变压器中，产生的磁场会在次级线圈中感应出电动势，从而实现两个磁耦合电路之间的电压传输。

在继电器中，产生的磁场会导致衔铁移动，从而使触点闭合或断开；在电机中，磁场会使电机朝特定方向旋转。因此，电磁学的应用非常广泛且无处不在。接下来，我们将讨论一些电磁学的应用领域。

电磁学的应用

家庭电器

电磁学是许多家用电器的基本工作原理。这些应用包括照明、厨房电器、空调系统等。

在家庭和商业建筑中，电力的主要用途是照明系统。这些照明系统使用了大量的荧光灯具。荧光灯中的镇流器利用电磁学原理，在灯开启时产生高电压。

荧光灯具

电风扇、鼓风机和其他冷却系统使用电动机。这些电动机基于电磁感应原理工作，而电磁感应是电磁学的一个分支。在任何电器中，电动机都是由电流产生的磁场根据洛伦兹力原理驱动的。这些电动机根据应用的不同，其大小、功率和成本也各不相同。

厨房电器，如电磁炉、微波炉、电动搅拌机和研磨机、烤面包机等，都利用电磁学原理进行操作。

警报系统使用基于电磁学原理的电铃。在这些电铃中，声音是由电磁线圈产生的，线圈驱动击锤敲击铃铛。只要线圈通电，铁质击锤就会被吸引，从而敲击铃铛。

当击锤与铃铛接触时，电磁铁会消磁，击锤在弹簧的张力作用下返回到原始位置，然后再次建立电气接触。这个过程会一直重复，直到开关被断开。

安全系统使用门锁，这些门锁通常是磁性锁。这些系统可以通过磁卡刷卡或输入安全代码来解锁。

门上的磁卡读取器会读取卡片磁带上存储的密钥数量。当存储在内存中的密钥与卡片上的数据匹配时，门就会打开。

娱乐系统，如电视、收音机或音响系统，使用扬声器。这种设备包含一个电磁铁，它连接到被永磁体产生的磁场包围的膜片或锥体上。

当通过电磁铁的电流发生变化时，电磁铁和扬声器的膜片会来回移动。如果电流的变化频率与声波的频率相同，扬声器的振动就会产生声波。

工业应用

工业中使用的几乎所有仪器或设备都基于电磁学原理。用于制造这些设备的材料包括铁、钴、镍等，这些材料对磁场有自然的响应。

从小型控制仪器到大型动力设备，电磁学至少在其工作过程中的某一阶段被使用。

发电机和电机在大多数工业中占据主导地位，它们分别是主要的能源供应系统和驱动系统。发电机将机械能转化为电能，而电机则将电能转化为机械能。

在主电源中断时，发电机提供电能，而在大多数情况下，它们由内燃机驱动。工业中使用了不同类型的电机。它们被用于起重机、起重机、电梯、传送带系统等。

各种传感器和执行器也基于电磁学原理工作。电磁传感器包括霍尔效应传感器、磁阻传感器、磁通门传感器等。这些传感器将流量、压力、液位、接近度等物理量转换为电信号。

执行器是最终控制元件，它们在特定条件下驱动负载。这些执行器设备包括电磁阀、继电器、电机等，它们都基于电磁学原理工作。

磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种现代交通系统，它利用电磁学原理。这些被称为高速列车，使用强大的电磁铁来提高速度。

这些列车利用磁铁的基本原理，如电磁悬浮（EMS）和电动悬浮（EDS），在导轨上悬浮。在EMS中，安装在列车车身上的电磁铁被吸引到铁轨上。

这些磁铁环绕着导轨，导轨与磁铁之间的吸引力使列车向上抬起。在EDS中，列车通过导电导轨中感应电流产生的排斥力悬浮。

导轨是一种特殊设计的磁铁线圈和轨道的排列，间隔均匀。沿着这条导轨，磁悬浮列车通过磁悬浮现象悬浮，除了磁场之外没有其他支撑。

上图展示了一个电磁悬浮系统，其中电磁铁安装在列车车身上，并由列车内的电池供电。导轨由安装在轨道表面的电磁线圈组成。

这些线圈由铁芯材料和线圈绕组构成。当电磁铁通电时，列车通过电磁铁与线圈之间的吸引力悬浮。

因此，这种系统需要一个大型电源、沿着导轨排列的电磁线圈以及安装在列车底部的导向磁铁。

通信系统

通信系统是将信息从一个源传输到一个接收器的过程。通过高频电磁波在长距离上传输能量。这些波也被称为微波或高频无线电波。

例如在手机中，声能被转换为电磁能。通过无线电发射器，这种电磁能被传输到接收器。在接收器处，这些电磁波再次被转换回声能。

根据基带信号的性质，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。根据传输信号的性质，该系统被分为基带通信系统和载波通信系统。

由时变源产生的电磁场通过波导或传输线传播。当这些电磁场在没有连接或导电介质的情况下从源传播开时，就会形成电磁波辐射。

电磁频谱包括所有可能的电磁辐射的波长或频率范围。这些频率范围包括低频、超低频、中频、高频、超高频、特高频等。

医疗系统

如今，电磁场在先进的医疗设备中扮演着关键角色，例如用于癌症的热疗、植入物和磁共振成像（MRI）。

射频范围内的频率大多用于医疗应用。在MRI扫描中，基于电磁学原理的复杂设备可以扫描人体的细微细节。

电磁疗法是一种替代医学形式，声称通过将脉冲电磁场或电磁辐射应用于人体来治疗疾病。这种治疗方法用于治疗多种疾病，如神经系统疾病、糖尿病、脊髓损伤、溃疡、哮喘等。

许多医疗设备，如扫描仪、X光设备和其他设备，都利用电磁学原理进行工作。