1.6　電磁現(xiàn)象及規(guī)律

1.6.1　磁鐵與磁性材料

1．磁鐵

將一塊磁鐵靠近鐵釘，如圖1-32所示，會發(fā)現(xiàn)磁鐵即使沒有接觸到鐵釘，也會把鐵釘吸引過來。磁鐵沒有接觸鐵釘就可以將它吸引過來，這是因為磁鐵能產(chǎn)生磁場，是磁場產(chǎn)生的作用力將鐵釘“拉”過來的。

任何一塊磁鐵都有兩個磁極，即N極、S極。由于磁鐵產(chǎn)生的磁場人眼看不見，但實際上又存在，為了表示磁場強弱和方向，通常在磁鐵周圍畫一些帶箭頭的閉合線條，這些線條稱為磁感線（俗稱磁力線），如圖1-33所示。磁感線的疏密表示磁場的強弱，磁感線上的箭頭表示磁場的方向。從圖中可以看出，磁鐵N極、S極兩端出來和進入的磁感線最多，所以磁鐵兩端的磁場最強，磁感線箭頭的方向在磁鐵外部是由磁鐵的N極出來，S極進入（在磁鐵內部則相反）的。磁場具有異極性吸引、同極性排斥的性質。

2．磁性材料

將一根不帶磁性的鋼棒接觸磁鐵，如圖1-34所示，會發(fā)現(xiàn)先前不帶磁性的鋼棒現(xiàn)在也可以吸引鐵釘，此時再移開磁鐵，鋼棒還能吸引鐵釘，也就是說，磁鐵接觸鋼棒，使鋼棒也具有了磁性。

沒有磁性的物質在磁場的作用下帶上磁性的現(xiàn)象稱為磁化現(xiàn)象，這種在磁場作用下能帶上磁性的物質稱為磁性材料。磁性材料可分為軟磁性材料和硬磁性材料。

（1）軟磁性材料

軟磁性材料在外部磁場作用下，容易被磁化而帶磁性，外部磁場消失后，其所帶的磁性會隨之消失，剩磁很少。常見的軟磁性材料有純鐵、硅鋼、坡莫合金、錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。軟磁性材料常用在變壓器、電動機、發(fā)電機、接觸器、繼電器和錄音機、攝/錄像機的磁頭中。

（2）硬磁性材料

硬磁性材料在外部磁場的作用下，容易被磁化而帶磁性，外部磁場消失后，其磁性不容易消失，還會保留較強的剩磁。常見的硬磁性材料有二氧化鉻、三氧化二鐵、鐵鈷合金和釹鐵硼合金等。硬磁性材料常用在電工儀表、高效能電動機和一些磁記錄設備中。

1.6.2　通電導體產(chǎn)生的磁場

先來按圖1-35所示的方法做一個實驗，在一根不帶磁性的鐵棒上纏繞多匝線圈（匝數(shù)盡量多些），再在線圈的引出線上接好開關和電池，在鐵棒下方有一只小鐵釘。在閉合開關時，鐵釘馬上被鐵棒吸引過來，斷開開關，鐵釘又會掉下來。這個實驗說明，通電線圈也會產(chǎn)生磁場，線圈產(chǎn)生的磁場將鐵棒磁化使之帶磁，帶上磁性的鐵棒就能吸引鐵釘。

通電導體能產(chǎn)生磁場，該磁場與磁鐵產(chǎn)生的磁場一樣，都具有大小和方向，通過導體的電流方向變化，導體產(chǎn)生的磁場方向也會變化。下面來分析兩種類型的通電導體的電流與其產(chǎn)生的磁場的關系。

1．通電螺旋管導體的電流與磁場關系

在圖1-35中，繞在鐵棒上的線圈呈螺旋狀，通常將這種形狀的導體稱為螺旋管導體。對于通電螺旋管導體，通過電流的方向與產(chǎn)生磁場的方向可用右手螺旋定則來判斷。如圖1-36所示，用右手四指握住螺旋管，四指的彎曲方向與環(huán)形電流方向一致，讓大拇指伸直，大拇指所指的方向就是螺旋管產(chǎn)生的磁場磁感線方向。讀者可試著用該方法來分析圖1-35所示線圈產(chǎn)生的磁場磁感線方向。

2．通電直導體的電流與磁場關系

對于通電直導體，通過電流的方向與產(chǎn)生磁場的方向也可用右手螺旋定則來判斷。如圖1-37所示，用右手四指握住直導體，讓伸直的大拇指指向電流的方向，彎曲的四指所指的方向就是直導體產(chǎn)生的磁場磁感線的方向。

1.6.3　通電導體在磁場中的受力情況

通電導體會產(chǎn)生磁場，若將通電導體放在其他磁場中（如磁鐵產(chǎn)生的磁場），通電導體產(chǎn)生的磁場與其他磁場就會產(chǎn)生吸引或排斥，從而使通電導體受到作用力。通電導體在磁場中受到的力稱為安培力。

安培力的方向可用左手定則來判斷。如圖1-38所示，伸開左手手掌，讓大拇指和其余四指垂直，并且和手掌都在同一平面內，把手掌伸入磁場中，讓磁感線垂直穿過手掌，同時讓四指指向導體的電流方向，那么大拇指所指的方向就是通電導體在磁場中所受安培力的方向。

導體在磁場中所受安培力的大小與磁感應強度B、導體流過的電流I、導體的長度L有關。導體在磁場中受到的安培力可用下面的公式來計算：

F=BILsinα

式中，F為安培力（N）；B為磁感應強度（T），它表示磁場中各點磁場的強弱和方向，其大小用該點磁感線的疏密來表示，某點磁感線越密，則該點的磁感應強度越大，如果磁場中各點的磁場強弱相同，那么該磁場為勻強磁場，勻強磁場中各點磁感應強度是相同的，磁感應強度的方向與磁場方向相同；L為導體的長度（m）；I為導體通過的電流（A）；α為導體與磁場的夾角，如圖1-39所示，如果通電導體與磁場垂直，即α=90°，那么通電導體在磁場受到的安培力F=BIL。

1.6.4　電磁感應

電流可以產(chǎn)生磁場，反過來也可以利用磁場產(chǎn)生電流。當閉合電路的部分導體在磁場中切割磁感線，或者穿過閉合電路的磁感線數(shù)量（又稱磁通量）發(fā)生變化時，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象。

1．導體在切割磁感線時會產(chǎn)生電流

當導體切割磁場磁感線時，導體會產(chǎn)生電動勢，如果將該導體與其他線路接成閉合電路，電路中就有電流流過。如圖1-40所示，將與電流表連接在一起的導體放在磁場中，當導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體中馬上有電動勢產(chǎn)生，此時的導體就相當于一個電池，它會輸出電流，電流表表針擺動。

導體產(chǎn)生的電動勢方向（也即導體產(chǎn)生的電流方向）與導體的運動方向、磁場的方向有關。導體產(chǎn)生的電動勢的方向可用右手定則判斷。如圖1-40所示，伸開右手，讓拇指和四指垂直并且在同一平面內，將右手掌放入磁場中，讓磁感線垂直穿過掌心，拇指指向導體運動的方向，四指所指的方向就是導體產(chǎn)生電動勢的方向，也是導體產(chǎn)生電流的方向。

在圖1-40中，如果導體靜止不動，而讓磁場橫向運動，那么導體也會切割磁感線，也會有電動勢產(chǎn)生。在這種情況下判斷導體電動勢的方向時，應將磁場運動的相反方向看作導體的運動方向，如磁場往左運動可以看成磁場不動而導體往右運動，再用右手定則來分析導體產(chǎn)生的電動勢方向。

導體在磁場中切割磁感線時會產(chǎn)生電動勢，其產(chǎn)生的電動勢大小可用下面的公式計算：

E=BLVsinα

式中，E為電動勢（V）；B為磁感應強度（T）；L為導體的長度（m）；V為導體在磁場中的運動速度（m/s）；α為導體運動方向與磁場方向的夾角，導體運動方向與磁場方向垂直時，α=90°。

2．閉合電路在磁通量變化時會產(chǎn)生電流

除導體切割磁感線會產(chǎn)生電動勢外，閉合電路的磁通量發(fā)生變化時也能產(chǎn)生電動勢。

為了說明閉合電路磁通量發(fā)生變化能產(chǎn)生電動勢，先按圖1-41所示做一個實驗，將線圈與一個電流表連接起來，電流表表針不動，然后拿一塊磁鐵靠近線圈。當磁鐵插入線圈時，電流表表針會擺動，說明線圈有電流產(chǎn)生；當磁鐵插在線圈中不動時，表針不動，說明線圈無電流產(chǎn)生；當突然拔出磁鐵時，表針又發(fā)生擺動，說明線圈又有電流產(chǎn)生，但表針此刻的擺動方向與插入磁鐵時的擺動方向相反。

在該實驗中，當插入磁鐵時，穿過線圈的磁感線數(shù)量增多（即磁通量增多），當拔出磁鐵時，穿過線圈的磁感線數(shù)量減少（即磁通量減少），線圈中都有電流產(chǎn)生，而磁鐵在線圈中不動時，穿過線圈的磁感線數(shù)量不變（即磁通量不變），線圈中無電流產(chǎn)生。因此可以得出這樣的結論：當穿過線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈會產(chǎn)生電動勢；當線圈與其他元器件組成閉合電路時，線圈中就有電流產(chǎn)生。

線圈產(chǎn)生的電動勢方向與穿過線圈的磁通量有關，它們之間的關系可用楞次定律來判斷。楞次定律指出，閉合線圈的感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。具體來說，當穿過線圈的磁通量增多時，線圈產(chǎn)生的感應電流所形成的磁場要阻礙磁通量增多；當穿過線圈的磁通量減少時，線圈產(chǎn)生的感應電流所形成的磁場要阻礙磁通量減少。

利用楞次定律可判斷線圈產(chǎn)生的感應電流方向，具體是：先判斷穿過線圈的磁通量方向及變化趨勢（即是增大還是減?。?，再根據(jù)感應電流的磁場總是阻礙磁通量變化的原則，來確定感應電流的方向。下面以圖1-42所示兩種情況來進一步說明。

在圖1-42（a）中，穿過線圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有增多的趨勢。根據(jù)感應電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙磁通量變化的原則，確定線圈感應電流產(chǎn)生的磁場應是上N下S，因為只有線圈產(chǎn)生上N下S的磁場才能阻礙下N上S并且增多的磁通量（可理解為同性相斥，線圈感應電流產(chǎn)生的上N下S的磁場阻礙下N上S的磁鐵靠近），確定線圈產(chǎn)生的磁場方向后，再用右手螺旋定則不難判斷出線圈的感應電流方向是由下往上。

在圖1-42（b）中，穿過線圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有減少的趨勢，根據(jù)感應電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙磁通量變化的原則，確定線圈產(chǎn)生的磁場應是上S下N，因為只有線圈產(chǎn)生上S下N的磁場才能阻礙下N上S并且減少的磁通量（可理解為異性相吸，線圈產(chǎn)生的上S下N的磁場吸引下N上S的磁鐵，阻礙其離開），確定線圈產(chǎn)生的磁場方向后，再用右手螺旋定則不難判斷出線圈的感應電流方向是由上往下。

線圈產(chǎn)生的感應電動勢大小可用法拉第電磁感應定律來計算。法拉第電磁感應定律指出：閉合線圈產(chǎn)生的感應電動勢的大小與穿過回路的磁通量的變化率成正比，其數(shù)學表達式為

式中，E為電動勢；N為線圈的匝數(shù)；ΔΦ表示磁通量的變化量；Δt表示磁通量變化ΔΦ所需的時間。從上述式子可以看出，與磁鐵緩慢靠近或遠離線圈相比，磁鐵快速靠近或遠離線圈時，磁通量ΔΦ變化相同，但變化所需的時間Δt更短，故線圈產(chǎn)生的電動勢會更高。

1.6.5　自感與互感

1．自感

圖1-43為兩個自感實驗電路。在圖1-43（a）電路中，當開關閉合時，燈泡HL2馬上變亮，而燈泡HL1慢慢變亮，然后亮度不變；在圖1-43（b）電路中，當開關閉合時，燈泡HL馬上變亮，開關斷開時，HL不會馬上熄滅，而是慢慢熄滅。

為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？原來當流過線圈的電流發(fā)生變化時，線圈會產(chǎn)生電動勢。由于導體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，由自感產(chǎn)生的電動勢稱為自感電動勢，電動勢的方向總是要阻礙電流的變化的。

在圖1-43（a）電路中，當開關閉合時，流過線圈的電流由無到有，該電流是一個增大的電流，線圈馬上產(chǎn)生左正右負的自感電動勢，阻礙增大的電流通過（可理解為線圈左端為正，左端電位升高，電流較難通過），由于自感電動勢的阻礙，流過線圈的電流只能慢慢增大，故燈泡HL1慢慢變亮，當電流達到最大值不再變化時，線圈的自感電動勢消失，燈泡亮度保持不變；在圖1-43（b）電路中，當開關斷開時，流過線圈的電流突然減小，線圈馬上產(chǎn)生左負右正的自感電動勢，阻礙電流減?。衫斫鉃榫€圈左端為負，左端電位下降，吸引電流通過線圈），由于線圈與HL組成一個閉合電路，線圈此刻就像是一個左負右正的電池，它產(chǎn)生的電流流過HL，電流方向是線圈右正→HL→線圈左負，電流在線圈內部是由左端流到右端，隨著流過HL和線圈的電流不斷減小，線圈產(chǎn)生的電動勢不斷降低，當電流為0時，線圈的電動勢也為0。

線圈產(chǎn)生的自感電動勢大小與電流的變化率ΔI/Δt成正比，與線圈的自感系數(shù)L（又稱電感量，其大小與線圈匝數(shù)等有關，匝數(shù)越多，L值越大）也成正比，自感電動勢的數(shù)學表達式為

2．互感

圖1-44為一個互感實驗電路。在一個環(huán)形鐵芯上繞有兩組線圈，一組線圈（稱作一次繞組）接電源和開關，另一組線圈（稱作二次繞組）接一只電流表，當開關閉合時，會發(fā)現(xiàn)電流表的表針擺動一下，然后不動。

為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？當開關閉合時，一次繞組突然有增大的電流（從無到有）通過，繞組馬上產(chǎn)生自感電動勢阻礙該電流增大，因此流過一次繞組的電流只能慢慢增大，此電流產(chǎn)生的磁場慢慢增強，該逐漸增強的磁場沿著鐵芯穿過二次繞組，即穿過二次繞組的磁通量逐漸增大，根據(jù)電磁感應規(guī)律可知，當穿過線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈會產(chǎn)生電動勢，因此二次繞組會產(chǎn)生電動勢，二次繞組與電流表接成閉合回路，電流表就有電流通過。開關閉合后，當一次繞組的電流達到最大值不再變化時，產(chǎn)生的磁場也不變化，穿過二次繞組的磁通量也就不變，二次繞組不再產(chǎn)生電動勢，電流表無電流通過。當開關斷開時，電流表表針也會擺動一下，其原因可自行分析。

一個線圈的電流變化而使其他線圈產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。由互感而產(chǎn)生的電動勢稱為互感電動勢?；ジ须妱觿莸拇笮∨c穿過本線圈的磁通量變化率成正比，互感電動勢的計算比較復雜，這里不再介紹。變壓器、電壓互感器和電流互感器都是利用互感原理來工作的。

互感現(xiàn)象不僅會發(fā)生在兩個相距很近的線圈之間，也會發(fā)生在任意兩個相互靠近的電路之間，這樣容易引起干擾，給電路加設屏蔽罩可減少或避免這種干擾。