1.4 電磁現象及規律

1.4.1　磁鐵與磁性材料

磁鐵具有吸鐵的性質，稱為磁性。任一磁鐵均有兩個磁極：即N極（英文north，北極）和S極（英文south，南極）。磁鐵端部磁性最強，越接近中央磁性越弱。同性磁極相斥，異性磁極相吸。

磁鐵能吸鐵的空間，稱為磁場。為了形象化，常用磁力線來描繪磁場的分布。

易磁化的材料稱為鐵磁性材料。鐵磁性材料又有兩種：一種是，一經磁化則磁性不易消失（稱為剩磁）的物質，叫硬磁材料，用來制作永久磁鐵；另一種是，剩磁極弱的物質，叫軟磁材料，用來制作電機和電磁鐵的鐵芯。

1.4.2　通電導體產生的磁場

磁鐵能產生磁場，電流也能產生磁場（俗稱“動電生磁”），這個現象稱為電流的磁效應。

電流磁效應的發現，用實驗展示了電與磁的聯系，說明電與磁之間存在著相互作用，這就是安培定則。

直線電流的磁場

電流產生磁場的方向與電流方向有關，判定的方法是安培定則（也稱右手定則）。

直線電流的安培定則

用右手握住導線，使大拇指的指向與電流方向一致，則彎曲四指的指向就是磁場的方向。

通電螺母管的磁場

用右手握住線圈，使大拇指與并攏四指相互垂直，使彎曲四指的指向與電流方向一致，大拇指所指的方向就是磁場的方向，就是N極。

實驗證明，在均勻磁場中，載流導體在磁場中受到電磁力的大小，與磁感應強度成正比，與導體中電流大小成正比，與導體在磁場中的有效長度成正比。

綜上所述，可將該關系寫為如下公式。

電磁力與導線關系

當直導線與磁場方向（即磁感應強度方向）垂直時，則sin90°＝1，F＝Fm為最大；若直導體與磁場方向平行，則sin0°＝0，F＝0。

由上可知，若將通電線圈放在磁場中，必然會受到大小相等、方向相反的一對電磁力的作用，即為電磁轉矩的作用，它會使通電線圈轉動起來。直流電動機就是根據這一原理而工作的。

1.4.3　電磁感應

實踐證明：導體與磁力線之間有相對切割運動時，這個導體中就有電動勢產生；回路的磁通量變化時，回路中就有電動勢產生，這種現象稱為電磁感應，也稱“動磁生電”。由電磁感應現象所產生的電動勢叫做感應電動勢，由感應電動勢所引起的電流叫做感應電流。

導體切割磁力線產生的感應電動勢

將一段直導體放在磁場中作切割磁力線運動，在導體兩端就會產生感應電動勢。感應電動勢的方向與磁場方向和導體運動方向三者之間的關系，可用右手定則來判定。

導體在均勻磁場中作切割磁力線運動時，產生的感應電動勢的大小為

當a＝90°時，E＝Em為最大，當a＝0°時，E＝0，不產生感應電動勢。導體切割磁力線的速度越快，產生的感應電動勢也越大。

應當指出：當切割磁力線的直導體沒有構成閉合回路時，導體中只產生感應電動勢，而不會產生感應電流。交直流發電機就是利用這一原理，在磁場中線圈作切割磁力線運動，將機械能轉換成電能的，所以“右手定則”也有被稱為“發電機定則”。

線圈中磁通發生變化產生感應電動勢

當穿過線圈中的磁通發生變化時，在線圈的兩端會產生感應電動勢，這種現象也稱為電磁感應。楞次定律：

在電磁感應過程中，感應電流所產生的磁通總是要阻礙原有磁通的變化，這個規律人們稱為楞次定律。

應用楞次定律來判定感應電動勢或感應電流方向的具體步驟是：

應當注意，必須把線圈或導體看成一個電源。在線圈或直導體內部，感生電流從電源的“–”端流到“+”端；在線圈或直導體外部，感生電流由電源的“+”端經負載流回“–”端。因此，在線圈或導體內部感生電流的方向永遠和感生電動勢的方向相同。

磁鐵插入和拔出線圈時感生電流的方向

楞次定律說明了感生電動勢的方向，而沒有回答感生電動勢的大小。為此，我們可以重復上述的實驗。我們發現檢流計指針偏轉角度的大小與磁鐵插入或拔出線圈的速度有關，速度越快，指針偏轉角度越大，反之越小。而磁鐵插入或拔出的速度，也反映了線圈中磁通變化的快慢。所以，線圈中感生電動勢的大小與線圈中磁通的變化速度（即變化率）成正比，這個規律，就叫做法拉第電磁感應定律。

我們用ΔΦ表示在時間間隔Δt內一個單匝線圈中的磁通變化量。則一個單匝線圈產生的感生電動勢為

對于N匝線圈，其感生電動勢為

上式是法拉第電磁感應定律的數學表達式。式中負號表示了感生電動勢的方向永遠和磁通變化的趨勢相反。在實際應用中，常用楞次定律來判斷感生電動勢的方向，而用法拉第電磁感應定律來計算感生電動勢的大小（取絕對值）。所以這兩個定律，是電磁感應的基本定律。

1.4.4　自感與互感

自感實驗電路

我們把上述這種由于流過線圈本身的電流發生變化，而引起的電磁感應叫自感現象，簡稱自感。電感量（L）應為：

一個線圈中通過1A電流，能產生1Wb的自感磁通，則該線圈的電感就叫1亨利，簡稱亨。用字母H表示。在實際工作中，特別是在電子技術中，有時用亨利作單位太大，常采用較小的單位。它們與亨利的換算關系是：

1H（亨）=1×103mH（毫亨）=1×106μH（微亨）

電感L的大小不但與線圈的匝數以及幾何形狀有關（一般情況下，匝數越多，L越大），而且與線圈中媒介質的磁導率有密切關系。對有鐵芯的線圈，L不是常數，對空心線圈，當其結構一定時，L為常數。我們把L為常數的線圈叫線性電感，把線圈統稱電感線圈，也稱電感器或電感。

由于自感也是電磁感應，必然遵從法拉第電磁感應定律，所以將Φ＝Li代入eL＝中可得線性電感中的自感電動勢為

負號表示自感電動勢的方向永遠和外電流的變化趨勢相反。通過以上討論，可以得出結論：

自感現象在各種電氣設備和無線電技術中有廣泛的應用，熒光燈的啟輝器就是利用線圈自感現象的一個例子。

使用自感規則

啟輝器是一個充有氖氣的小玻璃泡，里面裝上兩個電極，一個固定不動的靜觸片和一個用雙金屬片制成的U形觸片。燈管內充有稀薄的水銀蒸氣。當水銀蒸氣導電時，就發出紫外線，使涂在管壁上的熒光粉發出柔和的光。

由于激發水銀蒸氣導電所需的電壓比220V的電源電壓高得多，因此，熒光燈在開始工作時需要一個高出電源電壓很多的瞬時電壓。在熒光燈正常發光時，燈管的電阻變得很小，只允許通過不大的電流，電流過大就會燒壞燈管，這時又要使加在燈管上的電壓大大低于電源電壓。這兩方面的要求都是利用跟燈管串聯的鎮流器來達到的。

避免自感規則

自感現象有時也會帶來危害。在自感系數很大、電流很強的電路中，切斷電源的瞬間都會產生很大的自感電動勢，使開關兩端出現很高的電壓，形成電弧。電弧不僅會燒蝕開關，有時還會危及操作人員的安全。因此，在需要切斷較高電壓電源的電路中，現在都要采用特制的安全開關，以防止產生電弧，保障安全。

渦流的產生

把塊狀金屬放在交變磁場中，金屬塊內將產生感應電流。這種電流在金屬塊內自成閉路，很像水的漩渦，因此叫做渦電流，簡稱渦流。

渦流的損失

由于整塊金屬電阻很小，所以，渦流很大，這就不可避免地會使鐵芯發熱，溫度升高，引起材料絕緣性能下降，甚至破壞絕緣造成事故。鐵芯發熱，還使一部分電能轉換成熱能白白浪費，這種電能損失叫做渦流損失。

在電機、電器的鐵芯中，要想完全消滅渦流是不可能的，但可以采取有效措施盡可能地減小渦流。為了減少渦流損失，電機和變壓器的鐵芯通常用涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓制成。這樣渦流就被限制在狹窄的薄片之內，回路的電阻很大，渦流大為減弱，從而使渦流損失大大降低。鐵芯采用硅鋼片，是因為這種鋼比普通鋼的電阻率大，可以進一步減少渦流損失。硅鋼片的渦流損失只有普通鋼片的1/5～1/4。

利用渦流

電磁爐是利用渦流加熱的。它利用電流通過線圈產生磁場，當磁場內的磁感線通過鍋的底部時，即會產生無數小渦流，使鍋體本身自行高速發熱，從而達到烹飪食物的目的。

理想的電磁爐專用鍋具應以鐵和鋼制品為主。此類材料能使加熱過程中加熱負載與感應渦流相匹配，能量轉換率高，相對來說磁場外泄較少。而陶瓷鍋、鋁鍋等則達不到這樣的效果，對健康威脅也就更大一些。

由于一線圈電流變化引起另一個線圈產生感應電動勢的現象，稱為互感現象。產生的感應電動勢叫互感電動勢。

當開關S閉合或斷開的瞬間，電流計的指針發生偏轉，并且指針偏轉的方向相反，說明電流方向相反。當開關閉合后，迅速改變變阻器的阻值，電流計的指針也會左右偏轉，而且阻值變化越快，電流計指針偏轉的角度越大。

實驗表明線圈A中的電流發生變化時，電流產生的磁場也要發生變化，通過線圈的磁通也要隨之變化，其中必然要有一部分磁通通過線圈B，這部分磁通叫做互感磁通。互感磁通同樣隨著線圈A中電流的變化而變化，因此，線圈B中要產生感應電動勢。同樣，如果線圈B中的電流發生變化時，也會使線圈A中產生感應電動勢。這種現象叫做互感現象，所產生的電動勢叫做互感電動勢。

互感的意義

互感現象的應用：應用互感可以很方便地把能量或信號由一個線圈傳遞到另一個線圈。我們使用的各種各樣的變壓器，如電力變壓器、鉗形電流表等都是根據互感原理工作的。

互感現象在某些情況下是非常有害的。例如：有線電話常常會由于兩路電話間的互感而引起串音；無線電設備中，若線圈位置安放不當，線圈間相互干擾，影響設備正常工作。在此類情況下就需要避免互感的干擾。

＞＞特殊提示

變壓器是互感現象最典型的應用，它由初級線圈N1、次級線圈N2和鐵芯所組成。它可以起到升高電壓或者降低電壓的作用，還可以把交變信號由一個電路傳遞到另一個電路。但是互感現象也會帶來危害，電子裝置內部往往由于導線或器件之間存在的互感現象而干擾正常工作，這就需要采取一定的屏蔽措施來避免互感帶來的影響。