磁铁和电磁铁：看不见的推和拉
你有没有试过把磁铁贴在冰箱上，或在郊野公园远足时用指南针？在这一课，你会认识磁铁的两个磁极、磁铁会吸引哪些物料、磁力怎样随距离改变，以及电流怎样可以造出磁铁。你还会制作一个简单的电磁铁，测试什么因素能令它更强，并看看电磁铁怎样在门铃、回收起重机和高速列车中发挥作用。
怎样连接和画电路，可参阅简单电路一课；电流和电压，可参阅电流、电压和电阻一课。
1. 永久磁铁：两个磁极，一推一拉
什么是永久磁铁？
永久磁铁不需要电，也能一直保持磁性。条形磁铁、马蹄形磁铁和冰箱贴都是永久磁铁。
北极和南极
每块磁铁都有两端，叫做磁极：北极（N极）和南极（S极）。磁力在磁极最强。把条形磁铁放进一堆回形针中，大部分回形针都会吸在两端附近。
自由悬挂的条形磁铁会大致指向南北；指向北方的一端就是北极。指南针的指针其实是一块可以自由转动的小磁铁。
磁铁总是有两个相反的磁极。把条形磁铁折成两半，每一半都各有自己的N极和S极。
你知道吗？地球就像一块巨大的磁铁。由于异极相吸，地理北极附近的磁极其实是一个南磁极！
磁极定律
同极相斥（互相推开）：N极和N极，或S极和S极。
异极相吸（互相吸引）：N极和S极。
口诀：“相同就推开，不同就靠拢。”
怎样测试磁铁：磁铁的两个磁极都会吸引铁钉，所以单靠吸引不能分辨铁钉是不是磁铁。只有磁铁才会被另一块磁铁排斥，所以排斥才是真正的测试。
磁性物质和非磁性物质
磁性物质会被磁铁吸引。常见的有铁、钢（主要成分是铁）、镍和钴。
口诀：“铁钢镍钴，磁铁最爱。”
非磁性物质不会被磁铁吸引，例如木、塑料、玻璃、纸，以及很多金属，例如铜、铝、金和银。
常见错误：“所有金属都会被磁铁吸引。”错！铝制的易拉罐不会被吸引，但钢制的罐头会。
重点小结：同极相斥，异极相吸。铁、钢、镍和钴是磁性物质。
2. 磁力：不用接触也能发挥作用
非接触力
磁铁不用接触回形针也能把它吸过来，甚至可以隔着纸或薄薄的桌面吸引它。所以磁力是一种非接触力，就像重力一样。
磁场
磁铁周围有磁力作用的空间叫做磁场。要显示磁场的图案，可以在条形磁铁上放一张纸，撒上铁屑，再轻轻敲打纸张。铁屑会排成由一个磁极伸展到另一个磁极的曲线，并在磁极附近最密集，那里的磁场最强。
越近越强
物体离磁铁越近，磁力越强。距离增加时，磁力很快便会减弱。
动手试试：沿着直尺把回形针慢慢推向磁铁。距离远时，什么也没有发生；到了某个距离，回形针会突然跳到磁铁上。
重点小结：磁力不用接触也能发挥作用，并会随距离增加而减弱。
3. 电流的磁效应
有电流的导线就像磁铁
当电流流过导线时，导线周围会产生磁场。这就是电流的磁效应。
示范：把指南针放在一条直导线下面，导线连接电池和开关。闭合开关：指针转动。打开开关：指针摆回原位。把电池反转，指针便会向另一方向转动。
你知道吗？1820年，丹麦科学家奥斯特发现，当附近的导线有电流流过时，指南针的指针会移动。这是电和磁相互关联的第一个清楚证据。
把导线绕成线圈，效果更强
一条直导线周围的磁场很弱。把导线绕成线圈，每一圈的效果便会加起来。有电流流过的线圈就像一块条形磁铁，一端是N极，另一端是S极。把电流反向，两个磁极便会对调。
重点小结：电流会产生磁场；有电流流过的线圈就像一块条形磁铁。
4. 制作简单的电磁铁
简单电磁铁的结构
电磁铁是让电流流过线圈而制成的磁铁。简单的电磁铁有三部分：
1. 用绝缘电线绕成的线圈，例如漆包铜线。绝缘层能令电流沿着每一圈流动，而不会在裸露的线圈互相接触的地方“抄捷径”。
2. 铁芯，例如放在线圈内的大铁钉。铁会被磁化，令电磁铁强得多。铁容易获得磁性，也容易失去磁性；如果改用钢，关掉电源后仍会保留一些磁性。
3. 电池（或电池组）和开关。电池推动电流流过线圈；开关用来开启和关掉电磁铁。
开关自如
电磁铁只在有电流流过时才有磁性。开启：它会吸起回形针。关掉：回形针便会掉下。它最大的优点是可以随时开关，而且强度可以改变。
安全提示：电流长时间流过时，线圈和电池会变热，所以每次测试之间要关掉电源。
永久磁铁与电磁铁的比较
永久磁铁：一直有磁性；不能关掉；不需要电。
电磁铁：只在有电流流过时才有磁性；可以开启和关掉；强度可以改变；需要电。
重点小结：简单电磁铁 = 绝缘电线线圈 + 铁芯 + 电池。它可以开启和关掉。
5. 重点实验：怎样令电磁铁更强？
影响电磁铁强度的因素
1. 线圈的匝数 – 匝数越多，电磁铁越强。
2. 电流的大小 – 电流越大，电磁铁越强（例如用两个电池代替一个）。
3. 铁芯 – 有铁芯的线圈，比没有铁芯或用木、塑料、铝做芯的线圈强得多。铁棒的长度也可能影响电磁铁的强度，可以用公平测试找出答案（见下文）。
口诀：“三招”– 匝数多、电流大、加铁芯。
用回形针测量强度
我们用电磁铁能吸起的回形针数量来测量它的强度。要用相同的回形针：放进去、提起、数一数。
设计公平测试
假设：“线圈的匝数越多，电磁铁能吸起的回形针便越多。”
自变量（改变的）：线圈匝数，例如10、20、30、40匝。
因变量（测量的）：吸起的回形针数量。
控制变量（保持不变的）：电流（用相同的电池，并用电流表检查）、相同的铁芯、相同的电线和相同的回形针。
如果要测试铁棒的长度，就只改变铁棒的长度，并保持匝数、电流和回形针不变。
步骤
1. 用绝缘电线在铁钉上绕10匝。
2. 把线圈、电池、开关和电流表串联起来。
3. 闭合开关，把铁钉放进回形针堆中，提起并数一数。
4. 打开开关。再重复两次。
5. 改用20、30和40匝重复实验。
小提示：每次都用相同总长度的电线，把多出的电线留着不绕，这样便只有匝数改变。
处理结果
把每次的结果和平均值记录在表格中。如果某次的数目和其他相差很远（异常值），就重做那一次。以回形针的平均数目对线圈匝数画图：匝数增加时，回形针数量应该会上升。
常见错误：同时改变两样东西，例如既增加匝数，又多加一个电池。这样便不能分辨是哪一个改变令电磁铁变强。每次只改变一个变量！
重点小结：匝数越多、电流越大、有铁芯，电磁铁便越强。每次只测试一个因素，并重复每次测量。
6. 日常生活中的电磁铁
电铃
电铃里有电磁铁、装有小锤的软铁衔铁、铃碗、弹簧和接触螺钉。
1. 按下门铃按钮：电路接通，电流流动，电磁铁被磁化。
2. 电磁铁吸引衔铁，小锤敲打铃碗：“叮！”
3. 衔铁离开接触螺钉，电路断开，电流停止，电磁铁失去磁性。
4. 弹簧把衔铁拉回接触螺钉，电路再次接通，整个过程不断重复。
只要你一直按着按钮，这个过程便会快速重复。口诀：“通电 – 吸引 – 叮 – 断电 – 弹回 – 再来！”
废金属回收起重机
在金属回收工厂，起重机上装有一块巨大的扁平电磁铁。开启电源后，它能吊起沉重的废铁和废钢，例如旧汽车零件。起重机把它们移到目的地后，关掉电流便可以放下它们。它还可以把铁和钢从铝和铜等非磁性金属中分开。
磁悬浮列车
磁悬浮即磁力悬浮。强大的电磁铁把列车稍稍升离路轨，并推动它前进。由于摩擦力很小，列车行驶得又快又平稳。上海有一条磁悬浮铁路，连接浦东国际机场和市区。
其他用途和你的创意
电磁铁也用于电子门锁和扬声器。
发挥创意：电磁铁能否帮学校把钢罐和铝罐分开？试设计你自己的电磁铁小发明吧！
重点小结：电磁铁很有用，因为它可以开启和关掉：门铃、废金属起重机和磁悬浮列车都靠这一点运作。
重点回顾
1. 磁铁有北极和南极；磁力在磁极最强。
2. 同极相斥，异极相吸。排斥才是测试磁铁的真正方法。
3. 铁、钢、镍和钴是磁性物质；铜、铝和塑料不是。
4. 磁力是非接触力，距离越远便越弱。
5. 电流会产生磁场：这就是电流的磁效应。
6. 电磁铁 = 绝缘线圈 + 铁芯 + 电池。
7. 匝数越多、电流越大、有铁芯，电磁铁便越强。
8. 电磁铁可以开启和关掉。
做得好！下次听到门铃响起，你就会知道里面有一块小电磁铁正在不停地开开关关。