电磁原理在磁悬浮列车中的应用

 物理     |     by 思玛特SMTRU     |      2018-12-27

  摘    要: 电场与磁场之间有着紧密的联系, 运动的电荷能够产生磁场, 变化的磁场也能够产生电场, 因此, 电场与磁场总是成对存在, 即电磁场。电磁场的应用在人们的日常生活中随处可见, 大至我们出行的交通工具磁悬浮列车、军事武器电磁炮;小至生活中常见的炊具微波炉、电磁炉等。随着人们对电磁场的研究逐渐深入, 电磁学作为一门学科在当代高校的教育教学中已经非常普遍。为了更加深入地了解电磁场, 以具体实例来探究电磁场如何广泛应用于人们的生活。

  关键词: 电学; 磁学; 电磁现象; 电场;

  电与磁在我们的日常生活中随处可见。人们将磁场应用到医学领域, 如研发出了磁共振成像等技术, 可以通过扫描人体辅助医生进行疾病的诊断和治疗。电与磁有各自的功能, 两者之间也存在着必然的联系, 运动的电荷能够产生磁场, 变化的磁场也能够产生电场, 电磁现象也已经被人们广泛地应用于生活, 比如磁悬浮列车就是其中典型的例子, 它可以利用电磁感应原理使列车脱离轨道, 产生比普通列车快数倍的速度, 方便人们的出行。类似的例子不胜枚举, 因此, 合理利用电与磁, 能够更多地为人们创造更大的财富。本文主要分3个部分来展开叙述, 即从概念着手, 对电学、磁学以及电磁学进行详细阐述, 然后结合生活中典型应用电磁学的案例——磁悬浮列车, 从其工作原理着手联系电磁学展开详细探讨;列举生活中常见的案例来论述电磁学与生活的关系。

  1、 电磁现象原理探析

  1.1、 电场的产生及应用

  电, 对于我们来说都不陌生。我们的日常工作和生活都离不开电能, 比如家用电器的正常工作离不开电能, 工厂的机器运转离不开电能, 甚至没有了电能将会导致整个社会的瘫痪。电场是一种实实在在存在的物质, 它以场的形式存在, 由电荷所产生, 只要有电荷存在的地方就能够产生电场。且电场具有一些独特的属性, 人们正是利用它的独特属性来为人类谋福利。它通常具有一般物质所具有的属性, 表现为有力和能量等特性, 其中力能够使得处于电场中的电荷做定向运动, 能量可以转化成其他的形式供给不同的产品使用。

  1.2、 磁场的产生及应用

  磁场, 与电场类似, 都是看不见、摸不着的物质, 但却又都存在于我们的身边。磁场与电场是两种截然不同的物质, 磁场来源于磁体, 磁体可以通过磁场产生力的作用。当对磁性物质施加以磁场时, 磁性物质会被磁化, 能量被储存在磁性物质中, 而当磁场被湮灭时, 磁性物质中的磁场会被释放, 再次被回收利用, 所以这个过程是可逆的。

  磁场也被广泛应用于生产和生活中, 电磁炉等家用电器的工作离不开磁场, 医院电磁设备, 比如磁共振成像设备的正常工作也离不开磁场。

  1.3、 电磁场简介

  说到电磁场, 虽然电磁场的出现与发展也经历了很长的过程, 但人们对电磁场的认知也并不是很充分, 人们认识它最早是在19世纪初期, 最初由丹麦物理学家发现了通电的导线能够使得位于它附近的小磁针发生偏转, 开创了人们认识电磁场的先河。之后几十年的时间里, 安培定则、法拉第电磁感应定律、麦克斯韦方程组等经典的理论先后被提出, 并广为流传至今。电场与磁场之间有着紧密的联系, 运动的电荷能够产生磁场, 变化的磁场也能够产生电场, 磁场对放置其中的电荷施加作用力, 使其产生运动。电场与磁场既相互独立, 又相互依存, 它们共同组成了一门科学——电磁学, 而奇妙的电磁现象也常常出现在我们的日常生活中。

  2、 电磁原理在磁悬浮列车中的应用

  20世纪初期, 俄国托木斯克工艺学院某教授首次将电磁现象应用于磁悬浮列车的设计中, 教授根据电磁感应的原理设计了磁悬浮列车的模型, 考虑将列车与轨道脱离, 这将在很大程度上减小摩擦, 极大地提高了列车的运行速度, 但是由于当时制造技术有限, 设计与实物之间仍然存在一定的差距, 因此, 实物列车的生产终究由于制造工艺有限模型被搁置。

  直到20世纪末, 首辆可用于承载乘客的磁悬浮列车在日本诞生, 时速可达420 km, 已远超过当时普通火车的时速, 因此, 在社会上引起了不小的轰动。它的工作原理是利用车上装载的电磁铁与列车轨道上的线圈所产生的电磁场相互作用, 使列车刚好可以悬浮于轨道的正上方, 再利用电机拖动列车的运行。

  相比于普通的列车, 磁悬浮列车表现出很大的优势, 由于它与轨道之间是通过磁场接触的, 运行较为平稳, 且无噪声。另外, 它通过给轨道供电使轨道产生强大的磁场, 从而保证列车的正常运行, 减少了对环境的污染, 且降低了运行成本。目前, 我国所使用的磁悬浮列车是采用一种特殊的永磁材料, 这种永磁材料不需要给列车供给能量, 在更大程度上减少了能耗。永磁悬浮技术是我国自主研制的一项技术, 它耗能低、安全、可靠的特点也使得我国在磁悬浮列车的应用中也作出了卓越的贡献。

  3、 电磁现象在日常生活中的应用探讨

  随着人们对电磁学的研究更加深入, 电磁现象在生活中的应用也越来越广泛, 在日常生活、军事领域等都有所应用。

  3.1、 电磁现象在家庭生活中的应用

  电磁炉基本上成了家庭厨房必备用具, 它以干净的工作环境、节约能源和环境友好的特性受到用户的喜爱。电磁炉的基本工作原理是利用了电磁感应原理将电能转化成了内能加热食物, 通电时, 它的周围会产生磁场, 当磁场通过锅底时会产生无数的小涡流, 这种小涡流是一种交变的电流, 当它通过锅体的电阻时会迅速发热, 所以, 通过电磁炉煮食物时热量来源于锅体而非电磁炉本身, 其产生的热量要高于普通的工具。相比于其他的工具, 电磁炉也有很大的优点, 比如其效率高、无污染、外形小巧携带便捷, 因此, 受到很多炊事爱好者的喜爱, 同时, 电磁炉也被誉为“绿色炉具”。

  在日常的家庭生活中, 微波炉也是较为常见的利用电磁工作原理工作的炊具, 它是以波的形式工作的, 而波就是沿着一个方向的电场和磁场的叠加, 它的频率在2.45×109 Hz左右, 由磁控管产生, 经过微波炉金属壁的多次反射后, 被炉中的食物吸收, 因此食物便会发热, 最终变熟。

  3.2、 电磁现象在军事领域的应用

  电磁现象不仅在我们的日常生活中有广泛应用, 近年来在军事领域也有广泛的应用, 比如电磁炮便是最为典型的代表。电磁炮是一种动能杀伤武器, 它与普通的武器有着不同的工作原理, 它的工作要借助于电磁场, 通过电磁炮筒中电磁场产生的洛伦兹力对金属炮弹进行加速, 相比于传统的军事武器, 它具有更远的射程和更快的速度。它由3个部分组成, 分别是能源部分——用于为其提供源源不断的动力来源;开关部分——用于控制是否攻击的阀门;加速器——电磁炮的主要组成部分, 这也是电磁炮区别于其他武器的原因所在, 它是一种换能器, 可以将电磁能量与动能互换, 使炮弹获得更高速度的装置。将电磁应用于电磁炮中, 大大增加了电磁炮的杀伤力。

  3.3、 电磁现象在生产生活中的应用

  喷墨打印机也是日常生活和学习中经常需要用到的工具, 但是很少有人在乎它的工作原理, 其实喷墨打印机也是利用了电磁学的工作原理。在喷墨打印机内有一个极其微小的小型喷嘴, 它能够以特定的频率向外喷射墨滴, 这些墨滴的质量较轻, 可以在磁场中发生偏转。将这些墨滴喷射方向置于两个带电的金属板之间, 接通电流时, 喷嘴开始工作, 按照与要打印的字符成比例的方式获取电荷, 电荷在磁场的作用下沿着约定的方向发生偏转, 最终在纸上打印出我们想要的字样。另外, 金属探测器也用到了电磁原理, 它被用于我们的生活中, 可以有效帮助我们找寻丢失的金属物品;全球定位系统以及电脑光盘等的工作原理都与电磁学有关;信用卡、取款卡等卡片都不能离开电磁的应用。

  4、 总结

  电与磁都与我们的生活有着密切的联系, 电磁现象更是与我们的生活息息相关。本文就电磁学在生活中的应用展开了详细的探讨, 介绍了生活中常见的电磁现象以及它的作用, 详细地对电学、磁学以及电磁学的概念、原理进行了阐述, 结合本文的主题阐述了磁悬浮列车是如何应用电磁学的原理进行工作的, 列举了电磁学在我们日常生活中应用的实例, 呼应了主题。电磁学在我们的生活中应用广泛, 与我们的生活有着密切的联系。

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