知识背景
1820 年 4 月的一堂课上，丹麦物理学家奥斯特正在讲电流。桌上恰好放着一枚小磁针。他把一根通电的导线拿到磁针上方，磁针突然偏转了一下。学生们几乎没注意到，但奥斯特意识到自己撞上了一件大事：电流周围存在磁场。
这个念头他已经追了十几年。当时的科学界普遍相信电与磁毫不相干——电学归电学，磁学归磁学。奥斯特反复做实验，确认了三件事：导线不通电时磁针不动；通电时磁针偏转；电流方向反过来，磁针偏转方向也反过来。同年 7 月他发表了这个发现，欧洲物理学界为之震动。
消息传到巴黎，安培在一周之内就做出了更进一步的工作：他把导线绕成螺线圈，发现通电后它的磁场和一根条形磁体几乎一模一样，并总结出判断磁场方向的规则。从此「电生磁」成了电动机、电磁铁、发电机的共同起点——你家里的每一台电器，源头都在那枚偏转的小磁针上。
知识讲解
奥斯特实验：电流的磁效应
通电导体的周围存在磁场，这种现象叫做电流的磁效应。
两条重要结论：①磁场的存在只与电流有关，通电才有、断电就没有；②磁场的方向跟电流的方向有关，电流反向时磁场也反向。
实验中把导线南北方向水平放置在小磁针上方，效果最明显。原因是：小磁针原本受地磁场作用指南北，若导线沿南北放，电流产生的磁场方向恰好垂直于磁针原来的指向，偏转最容易看出来。
通电直导线的磁场
通电直导线周围的磁感线是一圈圈以导线为圆心的同心圆，圆所在的平面垂直于导线。离导线越近，圆越密，磁场越强。
通电直导线的右手螺旋定则：用右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流方向，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。
通电螺线管的磁场
把导线绕成一个个圆圈串在一起，就成了螺线管。通电后，它外部的磁场分布跟条形磁体极为相似：一端相当于 N 极，另一端相当于 S 极。
通电螺线管的安培右手螺旋定则：用右手握住螺线管，让弯曲的四指与螺线管中电流的方向一致，那么大拇指所指的那一端就是螺线管的 N 极。
- 直导线：大拇指指电流，四指指磁感线环绕方向（拇指管电流）。
- 螺线管：四指指电流（沿绕线方向），大拇指指 N 极（拇指管磁极）。共同点：都用右手，已知电流与磁场中的任意一个可以求另一个。
用定则解题时，关键是先从电源正负极出发，判断出电流在螺线管外侧还是内侧、从上绕还是从下绕，再握上去。
电磁铁
在通电螺线管中插入软铁芯，磁性会大大增强，这样的装置叫电磁铁。
铁芯被螺线管的磁场磁化后自身也成了磁体，两者的磁场叠加，所以总磁性远强于空心螺线管；铁芯用软铁而不用钢，是为了断电后磁性立即消失。
影响电磁铁磁性强弱的三个因素：
| 因素 | 关系 | 说明 |
|---|---|---|
| 电流大小 | 电流越大，磁性越强 | 用变阻器调节电流即可控制磁性 |
| 线圈匝数 | 匝数越多，磁性越强 | 相同电流下匝数多则磁场叠加更多 |
| 有无铁芯 | 有铁芯磁性显著增强 | 铁芯被磁化后与线圈磁场叠加 |
电磁铁的两大优势：磁性有无可由通断电控制，磁性强弱可由电流和匝数调节，磁极方向可由电流方向改变。这三点永磁体都做不到。
实验与探究
用两个匝数不同的电磁铁、滑动变阻器、电流表、电源、大头针，探究电磁铁磁性强弱与什么因素有关。
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方法：磁性强弱用吸引大头针的数目来间接反映（数目越多，磁性越强）——这是转换法。
探究一（电流大小）：取同一个电磁铁，闭合开关，移动滑动变阻器滑片，使电流依次为 、、，分别记录吸起的大头针数目。现象：电流越大，吸起的大头针越多。结论：匝数一定时，电流越大，磁性越强。
探究二（线圈匝数）：把两个匝数不同的电磁铁串联接入电路，保证通过它们的电流相同，比较吸起的大头针数目。现象：匝数多的吸得多。结论：电流一定时，匝数越多，磁性越强。
探究三（有无铁芯）：给同一个螺线管先不插铁芯、后插入铁芯，保持电流和匝数不变，比较吸引情况。现象：插入铁芯后吸引能力大幅提高。结论：有铁芯时磁性明显增强。
为什么要串联而不是并联：串联能保证两个电磁铁中电流严格相等，从而实现控制变量；并联时两支路电流可能不同，无法只改变匝数这一个变量。
经典例题
一个螺线管水平放置，导线从螺线管左端上方接电源正极、右端接负极，绕法为从上方绕向后方。在螺线管右端附近放一枚小磁针，静止后小磁针的 N 极指向哪一侧？
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第一步：确定电流方向，依据是电流在外电路中从电源正极流出、经用电器流回负极。所以电流从左端进入螺线管，沿绕线方向绕行，从右端流出。
第二步：用安培右手螺旋定则：右手握住螺线管，四指沿电流的绕行方向（题中为从上绕向后方），此时大拇指指向左端，故左端是 N 极，右端是 S 极。
第三步：判断螺线管外部磁场方向，依据是磁体外部磁感线从 N 极出发回到 S 极。螺线管右端是 S 极，其附近外部磁感线指向 S 极，即由右向左（指向螺线管）。
第四步：由小磁针静止时 N 极指向该点磁场方向可知，右端小磁针的 N 极指向螺线管（向左），S 极背离螺线管。
答：小磁针 N 极指向螺线管一侧（向左）。易错提醒：改变电源正负极接法或改变绕线方向，磁极就会颠倒；两者同时改变则磁极不变。
难点与易错点
- 两个右手定则张冠李戴：直导线是「拇指指电流」，螺线管是「四指指电流、拇指指 N 极」。判断前先看清对象。
- 用左手判断：安培定则只用右手，拿错手结果正好相反，这是考试中最冒失的丢分点。
- 忽略绕线方向：只看电源正负极就下结论。同一个电源，绕线方向相反，螺线管磁极也相反。
- 认为电磁铁铁芯可以用钢：钢磁化后难以消磁，断电仍有磁性，电磁铁就失去了「可控」这一核心优点，必须用软铁。
- 说「电流越大匝数越多，磁性一定越强」而不提控制变量：探究结论必须写成「匝数一定时……」「电流一定时……」。
- 认为断电后电磁铁仍有强磁性：软铁芯断电后磁性几乎立刻消失，这正是电磁起重机能放下货物的原因。
生活中的应用
- 废钢铁回收厂的电磁起重机：通电吸起大堆钢铁，运到目的地断电即放下，比机械抓斗高效得多。
- 医院取铁屑的电磁装置与磁选机：靠通断电控制磁性，把混在原料里的铁质杂物吸出来。
- 地铁站的电磁门锁：通电产生磁性把门吸住，火警时自动断电，门便可推开——安全设计的巧思。
- 手机的振动马达与扬声器：都靠线圈通电产生的磁场与永磁体相互作用工作。
生活应用题 1 · 亚运场馆的电磁分选带
某场馆垃圾分类站用电磁铁把混在垃圾中的铁罐吸走。工人反映吸得不够干净，提出三个方案：①把电源电压从 6 伏提高到 9 伏；②把线圈从 300 匝换成 600 匝；③把软铁芯换成同样粗细的铜棒。哪些方案有效？为什么？
分步解：
- 方案①有效：依据欧姆定律，线圈电阻不变、电压升高则电流增大；由探究结论「匝数一定时电流越大磁性越强」，磁性增强。
- 方案②有效：依据「电流一定时匝数越多磁性越强」，匝数加倍磁场叠加更多。（严格说匝数增多电阻也增大、电流略减，但通常磁性仍明显增强。）
- 方案③无效：铜不是铁、钴、镍一类能被强烈磁化的物质，铜棒插进去不能被磁化，起不到铁芯增强磁场的作用，磁性反而比原来弱。
- 答：①②有效，③无效。这道题的关键是分清「增强磁场」的三条正确途径与「换材料」的陷阱。
生活应用题 2 · 判断家用电铃线圈的磁极
某电铃里的电磁铁竖直放置，线圈的电流从上方看去是逆时针绕行。请判断电磁铁的上端是什么磁极；若把电池正负极对调，上端又是什么磁极？
分步解：
- 握手定则：用右手握住线圈，让四指沿电流绕行方向——从上方看逆时针。
- 读出拇指：此时大拇指指向上方，依据安培右手螺旋定则，大拇指所指端为 N 极，所以上端是 N 极。
- 对调电源：电流方向全部反向，四指绕向变为从上看顺时针，大拇指改指下方，故上端变为 S 极。
- 答：原来上端为 N 极，对调后上端为 S 极。这说明改变电流方向可以改变电磁铁的磁极，这是电磁铁相对永磁体的又一优势。
考点
- 选择题·高频：奥斯特实验的结论与实验装置（导线为何沿南北放置）
- 作图题·高频：由电流方向标出螺线管 N、S 极，或由磁极反推电流方向、电源正负极
- 实验题·高频：探究电磁铁磁性强弱的三个因素，控制变量与转换法（数大头针）
- 实验题：为什么两个电磁铁要串联接入电路
- 选择题：电磁铁与永磁体的比较（有无、强弱、极性均可控）
- 概念题：铁芯必须用软铁的原因
- 应用题：电磁起重机、电磁门锁、磁选机的工作原理解释
中考真题
如图，通电螺线管左端标有 N 极。下列判断正确的是（ ）A. 电流一定从螺线管左端流入 B. 螺线管右端为 S 极 C. 增大电流可以改变螺线管的磁极 D. 抽出铁芯后磁性不变
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逐项分析：
- A 错：磁极由电流方向和绕线方向共同决定，只知道 N 极在左端，无法断定电流从哪端流入。
- B 对：螺线管相当于条形磁体，一端为 N 极，另一端必为 S 极。
- C 错：增大电流只能使磁性更强，改变磁极必须改变电流方向（或绕线方向）。
- D 错：抽出铁芯后失去铁芯磁化的贡献，磁性明显减弱。
答案：B。
小科用同一电源、同一根导线绕成的螺线管做实验：第一次线圈 100 匝、不插铁芯，吸起 2 枚大头针；第二次 100 匝、插入软铁芯，吸起 15 枚；第三次 200 匝、插入软铁芯，吸起 26 枚。请回答：①第一、二次比较得出什么结论？②第二、三次比较得出什么结论？③若第三次断电，大头针会怎样？
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第一步：明确本实验的转换法，依据是磁性强弱无法直接测量，用吸起大头针的数目间接反映，数目越多磁性越强。第二步：比较第一、二次。变量只有有无铁芯（匝数、电流相同），结果 2 枚变 15 枚，结论是电流和匝数相同时，插入软铁芯能使电磁铁磁性显著增强。第三步：比较第二、三次。变量只有线圈匝数（都插铁芯、同一电源），结果 15 枚变 26 枚，结论是电流相同、都有铁芯时，匝数越多磁性越强。第四步：分析断电。铁芯是软铁，属软磁性材料，断电后螺线管磁场消失、铁芯磁性也几乎立即消失，大头针全部掉落。答：①插入软铁芯能显著增强磁性；②匝数越多磁性越强；③大头针全部掉下来。