电磁铁
diàn cí tiě
电磁铁是一种用导线缠绕铁芯并通电而成的磁铁，只在有电流通过时才具有磁性。
Definition
电磁铁是一种可以随意开关的磁铁，做法是把导线缠绕在一块铁上并通电，废车场的起重机用巨大的电磁铁吊起整辆汽车，因为只要切断电流，汽车就会准确地落在想要放下的地方。它是一种通过给一个线圈通电而产生的临时磁铁，线圈通常缠绕在铁芯上，铁芯能聚集并增强产生的磁场，电流一停就会消失，电流方向反转时磁极也会反转，磁性强度随电流增大、线圈匝数增多以及磁芯材料变好而增强，为电动机、扬声器、门铃、核磁共振设备和废料场起重机提供动力。一个每米 $n$ 匝、通有电流 $I$ 的长螺线管，会在内部产生近似均匀的磁场 $B = \mu_0 n I$，插入一个相对磁导率为 $\mu_r$ 的铁磁性磁芯，可以把这个值放大数百到数千倍，直到软铁在约 $1.5$ 到 $2\ \text{T}$ 时饱和；线圈通过其电感储存能量 $U = \tfrac{1}{2}LI^2$，其自感电动势会抵抗电流的变化，这正是断开一个电感性负载时会看到火花的原因，超导电磁铁能维持没有电阻损耗的持续电流，在核磁共振扫描仪和粒子加速器中达到超过 $10\ \text{T}$ 的磁场。
Example
把绝缘导线缠绕在一根大钉子上，再把两端接到电池上，钉子就能吸起回形针，而一旦断开电池，回形针立刻掉落；一个绕了 $50$ 匝、能吸起 $5$ 个回形针的钉子线圈，如果匝数加倍到 $100$，或者用第二节电池串联使电流加倍，吸力大约会翻倍到约 $10$ 个回形针。一个长 $0.20\ \text{m}$、匝数 $1{,}000$（$n = 5{,}000\ \text{m}^{-1}$）、通有 $2\ \text{A}$ 电流的螺线管，空气芯下的磁场为 $B = 4\pi \times 10^{-7} \times 5000 \times 2 \approx 0.0126\ \text{T}$，一个相对磁导率 $\mu_r \approx 200$ 的软铁芯原则上会把它提高到约 $2.5\ \text{T}$，但铁会先饱和，把实际磁场限制在接近 $1.8\ \text{T}$。
Key Insight
一块永久磁铁的强度永远固定不变，而一块电磁铁可以在瞬间被调强、调弱、反转或关闭，这正是每一台电动机都是围绕电磁铁构建的原因。电磁铁把电和磁之间的循环连接了起来：奥斯特发现电流会使指南针偏转，法拉第发现运动的磁铁能产生电流，在两侧各放一个线圈就得到了变压器、发电机和电动机，这三台机器正是现代电网运转的基础。