法拉第电磁感应定律之外的铁芯技术

赵继广

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一、前言

(一)法拉第电磁感应定律说的是“导体回路中产生感应电动势”的规律

法拉第电磁感应定律指出：“导体回路中产生的感应电动势大小和穿过回路所围面积的磁通量变化率成正比”。从该定律可以看出：

(1)该定律从磁通量的角度叙述了导体回路产生感应电动势的规律；

(2)该定律叙述的感应电动势所对应的是回路所围面积内的磁通量变化率。

受该定律的影响，一般研究和讲述电磁感应都放在了两个方面：

(1)导体回路所围面积内；

(2)磁通量。

(二)分析“导体回路中产生感应电动势”这一物理现象

通过分析会发现，导体回路中产生感应电动势的电磁感应现象都源于有变化电流的情况——电流的大小发生了变化或者是电流和产生感应电动势的导体回路之间的距离发生了变化，再或者是此二者同时发生了变化。这样，从“导体回路中产生感应电动势”这一物理现象本身来看，则从变化电流的角度总结产生感应电动势的规律更直接、更全面，从这个角度我做了一个尝试，我首先尝试了一下总结电流大小变化的情况，我认为：电流大小发生变化时，变化电流在周围空间产生感生电场[1]——感生电场是顺着变化电流的，当电流变大时，变化电流在周围空间产生和变化电流反方向的感生电场，距离变化电流越近，感生电场越大；当电流变小时，变化电流在周围空间产生和变化电流同方向的感生电场，距离变化电流越远，感生电场越小[2]；以上总结把产生感应电动势的法拉第电磁感应定律和判断感应电动势方向的楞次定律这两个分开的定律，通过寻找根源融合成了一个整体，同时也“摆脱”了磁通量和“导体回路所围面积内”的束缚，为什么说是束缚呢？这个总结有意义吗？我做了如下实验。

(三)铁芯实验

我们知道，产生感应电动势的电磁感应定律之所以在生活中被广泛应用，并在现实中被重视，是因为在实际技术中应用了铁芯，如果没有铁芯，则所产生的感应电动势会大打折扣——该定律的实用性会大打折扣。下面我们就从铁芯角度做实验考察以上总结。

“跳出了”电磁感应定律后，在“变化电流产生感生电场”看来，铁芯的作用则不用再着眼于回路内的磁通量，因此开始研究铁芯为什么起作用，进而研究铁芯主要是哪一部分在起作用——研究发现，铁芯起作用的主要部分在于距离电流近的部分，于是通过实验研究出了空心铁芯；不再囿于回路内(其本质是变化电流的一侧)后，从而进一步研究出了外用铁芯，这样则完全跳出了电磁感应定律之“导线所围绕面积内”；更进一步，除了电磁感应现象，外用铁芯是不是也适用于电磁铁呢？既然铁芯在电磁感应中于导线所围面积外能起作用，则在电磁铁中于导线所围面积外也应该能起作用，实验发现，外用铁芯在电磁铁中能起到增大产生磁场的作用；跳出法拉第电磁感应定律后，铁芯技术也在理论上实现了突破。

本研究开展了三个实验，主要回答了三个问题：

(1)同样材质，相同高度，外径相同的实心铁芯和空心铁芯以同样的方式应用于电磁感应实验，所产生感应电流的大小会接近甚至相同吗？

(2)在产生感应电流的实验中，同时使用外用铁芯和内用铁芯比仅使用内用铁芯会产生更大的感应电流吗？进一步，在外用铁芯和内用空心铁芯合计质量远小于内用实心铁芯质量的情况下，同时使用外用铁芯和内用空心铁芯所产生的感应电流会远大于仅使用内用实心铁芯产生的感应电流吗？

(3)电磁铁同时使用外用铁芯和内用铁芯比仅使用内用铁芯产生的磁场大吗？进一步，如果外用铁芯和内用空心铁芯的合计质量远小于内用实心铁芯的质量，电磁铁同时使用外用铁芯和内用空心铁芯所产生的磁场会大于仅使用内用实心铁芯所产生的磁场吗？

以下给出本文中内用铁芯、实心铁芯、空心铁芯和外用铁芯的定义。

内用铁芯：通常被导线所缠绕的铁芯因为在导线内，因此称之为内用铁芯，导线缠绕内用铁芯的横截面从外到内依次是导线、内用铁芯。

实心铁芯：通常内用铁芯都是实心铁芯，因此也可称为内用实心铁芯，导线缠绕实心铁芯的横截面从外到内依次是导线、实心铁芯。

空心铁芯：空心铁芯也可用于内用铁芯，空心铁芯用于内用铁芯时导线缠绕空心铁芯的横截面从外到内依次是导线、空心铁芯之铁芯壁、空心；空心铁芯用于内用铁芯时可称之为内用空心铁芯。

外用铁芯：外用铁芯一般是空心铁芯，外用铁芯套在缠绕内用铁芯的导线外面，这时其横截面从外到内依次是外用铁芯、导线、内用铁芯。

通过以下实验的开展，本文回答了以上三个问题。此外，本文推出了空心铁芯和外用铁芯这两种铁芯新形式，在应用上达到了节约材料、降低成本、方便应用和增强效果的目的；在理论上，跳出了以往对电磁感应定律和电磁铁理论的认知束缚。

二、空心铁芯实验

实验一：如图1所示，空心铁芯是一个圆直筒，圆的外径9.1厘米，内径7厘米，圆直筒长4.35厘米，将带有绝缘层的导线(1)在该圆直筒上密绕3圈，导线(1)连接电源和一个40W的灯泡；在导线(1)右侧，带有绝缘层的导线(2)挨着导线(1)在圆纸筒上密绕3圈，导线(2)连接万能表；当导线(1)回路接通220伏交流电电源时：

1.导线(2)回路连接的万能表显示感应电流为0.023mA；

2.把空心铁芯换成材质、外围尺寸相同的实心铁芯，万能表显示感应电流也是0.023mA；

3.把空心铁芯换成外围尺寸相同的实心木芯，万能表显示感应电流为0.006mA。

实心铁芯2263克，空心铁芯928克，但效果却非常接近，以上体现了空心铁芯的实用性。

图1 空心铁芯

三、外用铁芯实验

实验二：内用实心铁芯即实验一所述实心铁芯；外用铁芯是一个铁皮圆直筒，其圆的直径为9.9厘米，筒长4.35厘米，铁皮厚度0.01毫米，铁皮筒约10.69克，如图2所示；实验时，内用实心铁芯的外面套一硬圆纸筒，纸筒长4.35厘米，外径9.35厘米，仿实验一，将带有绝缘层的导线(1)在圆纸筒表面密绕5圈后，导线(1)连接电源和一个40W的灯泡形成回路；在导线(1)右侧，带有绝缘层的导线(2)挨着导线(1)在圆纸筒上密绕5圈，导线(2)连接万能表形成回路；纸筒上的导线(1)接通电源之220伏交流电时，实验结果如下：

图2 外用铁芯

1.不用任何铁芯时，导线(2)连接的万能表显示感应电流为0.020mA；让纸筒完全套上内用实心铁芯时，万能表显示感应电流为0.041mA；纸筒完全套上内用实心铁芯，并在缠绕纸筒的导线(1)和导线(2)外面再套上外用铁芯时，万能表显示感应电流为0.056mA；

2.把内用实心铁芯换成实验一所述空心铁芯，空心铁芯置于上述缠绕导线的圆纸筒内部时，导线(2)连接的万能表显示感应电流为0.041mA；纸筒完全套上内用空心铁芯，并在缠绕纸筒的导线(1)和导线(2)外面再套上以上所述外用铁芯时，万能表显示感应电流为0.056mA。

外用铁芯+内用空心铁芯的合计质量938.69克，实心铁芯的质量2263克，使用内用空心铁芯+外用铁芯所产生的感应电流却远大于单纯使用内用实心铁芯所产生的感应电流，可见外用铁芯的实用性。

四、电磁铁铁芯实验

实验三：如图3所示，内用实心铁芯即实验一所述实心铁芯，将带有绝缘层的导线在该铁芯外面从一端绕起，密绕17匝制造成电磁铁(1)；外用铁芯(2)为圆筒状，长4.35厘米，其内径9.6厘米，外径10.8厘米，外用铁芯约670克；检验磁场强弱的所用铁片(3)长12.5厘米，宽0.15厘米，厚0.01厘米；实验结果如下：

1.让电磁铁(1)开始缠绕导线的一端底面向下，在该电磁铁的正下方2.5毫米处平放铁片(3)，铁片(3)的中心在电磁铁(1)底面中心的投影处，当缠绕电磁铁(1)的导线连接一个1号干电池接通电源时，此电磁铁(1)不能吸引起此铁片(3)；在电磁铁(1)外面套上外用铁芯(2)后则能吸引起所述铁片(3)。

2.用实验一所述空心铁芯替换实心铁芯制造成一个电磁铁(2)，电磁铁(2)外面的导线缠绕和电磁铁(1)外面的导线缠绕完全相同，当缠绕电磁铁(2)的导线连接一个1号干电池接通电源时，电磁铁(2)不能吸引起铁片(3)；在电磁铁(2)外面套上外用铁芯(2)后则能吸引起所述铁片(3)。

外用铁芯+内用空心铁芯合计为1598克，其磁场引力却大于内用实心铁芯2263克的情况，可见外用铁芯用于电磁铁实用性也很强。

密绕17匝内用实心铁芯

密绕17匝内用空心铁芯图3

五、什么是铁芯

“芯”的本义是指中间的部分，因为原来的铁芯都是在导线缠绕内的，因此有了最初铁芯的概念；铁芯作为物理名词，其物理作用主要在于用于电磁感应技术和电磁铁技术。从物理作用的角度定义，铁芯的作用则在于能在电磁感应技术中增大产生感生电场和在电磁铁技术中能增大产生磁场。从物理作用的角度定义，则无论铁芯是否在导线内，只要在电磁感应技术中能增大产生感应电流或者在电磁铁技术中能增大产生磁场，就应该统称为铁芯；外用铁芯虽然用于导线外面，而从其物理作用的角度来看，则称其为铁芯是合适的。

六、总结

本文对铁芯的研究是在“变化电流产生感生电场”的理论基础上进行的，所研究的内容是“法拉第电磁感应定律”之外的。法拉第电磁感应定律指出：导体回路中产生的感应电动势大小和穿过回路所围面积的磁通量变化率成正比。在该定律的指导下，关注磁通量，因此一般不会去考虑空心铁芯；在“变化电流产生感生电场”的理论下，不需要去考虑磁通量，而会去思考铁芯为什么起作用，会去思考铁芯主要是哪一部分在起作用，从而去尝试和实验空心铁芯；电磁感应定律研究的是回路所围的部分，“外用铁芯”是在回路所围之外的——是在“变化电流产生感生电场”的理论下进行的对铁芯较全面的研究。通过实验进一步研究发现，空心铁芯、外用铁芯也适用于电磁铁。

铁芯已经广泛应用于电磁感应技术和电磁铁技术，铁芯主要有两个作用：一个是在变化电流产生感应电流时，应用铁芯可以增大产生感应电流；一个是在电磁铁中，应用铁芯可以增大产生磁场。本文通过实验，创新了铁芯的形式和应用，研究出了空心铁芯和外用铁芯；空心铁芯的推出可以节约成本，并且方便应用；外用铁芯则是另一个新形式，外用铁芯的推出可以大幅度提高效果，用于电磁感应技术可以更好地增大产生感应电流，用于电磁铁可以更大地增大磁场；内用空心铁芯+外用铁芯的应用不仅能节约成本和提高效果，还能大幅度的方便应用，无论在仪器工具方面还是在武器方面，都可以有较高的实用价值。

本文对铁芯进行了重新定义，提出了内用铁芯、实心铁芯、空心铁芯、外用铁芯等概念。此定义拓展了对铁芯的认知，不仅方便应用，也会对研究铁芯产生更远的意义和影响。

(以上技术已申请专利)