4. 电磁铁安匝数与吸力关系验证
实验对象与测量原理
本实验使用一台U型直流电磁铁，衔铁与铁芯之间用非磁性垫片固定气隙δ。在固定气隙下，吸力F由麦克斯韦公式近似给出：
F ≈ (μ₀ · N² · I² · A) / (2δ²) = (μ₀ · A / 2δ²) · (N·I)²
其中N为线圈匝数，I为线圈电流，A为磁极有效面积，δ为气隙长度。在磁路未饱和时，吸力与安匝数(NI)的平方成正比；当铁芯进入磁饱和后，磁通不再随安匝数线性增长，吸力增长明显放缓，曲线出现拐点。
实验采用可换线圈（200匝、400匝、600匝）与可调直流电源，通过串联采样电阻测量电流，用拉力传感器（或电子秤）测量吸力。每组固定匝数下，从0.2A逐步升流至2.0A，记录吸力值。
操作步骤与关键控制点
- 固定气隙：在衔铁与铁芯之间放入0.5mm非磁性垫片，用塞尺确认气隙均匀，锁紧后不再变动。
- 安装线圈：先装200匝线圈，确认引线极性一致，避免剩磁影响。
- 调零与校准：未通电时拉力传感器读数归零；用标准砝码校验传感器线性度。
- 逐点升流：从0.2A开始，每次增加0.2A，待电流稳定后同时记录I和F。每个匝数下测至2.0A或吸力明显饱和为止。
- 换线圈重复：依次更换400匝、600匝线圈，重复上述测量。
- 计算安匝数：NI = N × I，填入记录表。
关键判断：将每组数据计算 F/(NI)²。若该比值在低安匝数段基本恒定，说明处于线性区，验证了平方正比关系；当安匝数增大到某值后 F/(NI)² 开始明显下降，该点即为磁饱和边界。例如表中600匝、1.5A时比值从2.1e-4降至1.75e-4，说明已进入饱和。
结果判读与饱和边界识别
以(NI)²为横轴、F为纵轴作图，理想线性区应为过原点的直线。实际曲线在低(NI)²段斜率恒定，高(NI)²段斜率减小，拐点对应铁芯磁感应强度接近饱和磁密（硅钢片约1.5–1.8T）。
若需要更精确地定位饱和边界，可对F/(NI)²随NI的变化作图：该值开始下降超过5%的安匝数即为工程饱和点。本实验在δ=0.5mm、A≈20cm²条件下，600匝线圈的饱和安匝数约在700–800安匝附近。
注意事项：线圈通电时间不宜过长，避免温升导致电阻增大、电流漂移；每次改变电流后等待2–3秒再读数；更换线圈时注意引线不要短路；气隙垫片必须非磁性（如铜片、塑料片），否则会改变磁路。
验证通过标准
- 线性区各点 F/(NI)² 的相对偏差 ≤ 10%。
- F–(NI)² 曲线在低段呈线性，高段出现可辨识的斜率下降。
- 不同匝数下，相同安匝数对应的吸力在误差范围内一致（如200匝×1.0A与400匝×0.5A的F应接近）。
- 饱和拐点可重复观测，重复测量偏差 ≤ 15%。