第四章 模組三電磁和電磁感應
磁與電有著密切的聯系。本部份主要介紹磁場的物理量、磁性材料以及磁路的基本概念，磁場對電流的作用及電磁感應定律，變壓器的基本結構和工作原理。
3.1磁場和磁場線
在磁體的周圍都存在著磁場，磁場和電場一樣，也是一種特殊的物質，具有力和能的性質。
磁場可以用磁力線來描述。磁力線是在磁場中所畫的一系列假想的有方向的曲線，曲線上每一點的切線方向就是該點的磁場方向，圖3-1所示為條形磁鐵的磁力線分布情況。
磁力線具有以下特點。
①磁力線在磁體外部由N極出來，進入S極；在磁體內部由S極回到N極，組成不相交的閉合曲線。
②磁力線不會彼此相交。
③磁力線的疏密反映了磁場的強弱。
1．電流的磁效應
磁鐵並不是磁場的唯一來源，1820年，丹麥物理學家奧斯特透過實驗首先發現了電流也能產生磁場。
通電直導線產生磁場
通電直導線的磁力線是以導體為圓心的同心圓，並且在與導體垂直的平面上。可以使用安培定則來判定直線電流產生的磁場方向，即右手握住導線，讓伸直的大拇指指向電流的方向，則彎曲的四指所指的方向就是磁力線的方向，如圖3-2所示。
環形電流產生磁場
如圖3-3所示，其磁力線是一系列圍繞環形導線的閉合曲線。在環形導線的中心軸上，磁力線和環形導線平面垂直。環形電流產生磁場的方向也可以用安培定則判定，即讓右手彎曲的四指指向與環形電流的方向一致，則伸直的大拇指所指方向就是磁力線方向。
螺線管線圈產生磁場
如圖3-4所示，把導線一圈圈地繞在空心圓筒上制成螺線管，通電後，由於每匝線圈產生的磁場相互疊加，因而內部能產生較強的磁場。通電螺線管的磁場與條形磁鐵相似，一端為N極，一端為S極。磁力線的方向可以用另一種解釋的安培定則來確定：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向與電流的方向一致，那麽大拇指所指的方向就是螺線管內部磁力線方向。
3.2磁場的基本物理量
3.2.1磁感應強度
磁感應強度是用來描述磁場中某點的磁場大小和方向的物理量，用B表示。
在磁場中的某一點放置一段長度為l，通電電流為I的導體，且使導體與磁場方向垂直，若導體受到的磁場力大小為F，則該點的磁感應強度大小為
磁感應強度的方向與該點的磁場方向一致。
磁感應強度的單位是特斯拉，簡稱為特作為磁感應強度的單位，註意
若空間中磁場的某個區域內，每一點的磁感應強度的大小相等且方向相同，那麽這個區域內的磁場就可以稱為勻強磁場，如圖3-5所示。
特斯拉
特斯拉，1856年7月10日出生於克羅地亞的史密賴恩，後加入美國國籍，發明了交流發電機、高頻發電機和高頻變壓器。1893年，他在芝加哥舉行的世界博覽會上用交流電做了出色的表演，並用他制成的「特斯拉線圈」證明了交流電的優點和安全性。1889年，特斯拉在美國哥倫比亞實作了從科羅拉多泉至紐約的高壓輸電實驗。從此，交流電開始進入實用階段。此後，他還從事高頻電熱醫療器械、無線電廣播、微波傳輸電能及電視廣播等方面的研制。
為表彰他早在1896年—1899年實作200kV、架空57.6m的高壓輸電成果，以及制成著名的特斯拉線圈和在交流電領域的貢獻，用他的名字作為磁感強度的單位。
磁通是描述磁場中某個面上的磁場情況的物理量，用符號φ來表示。當勻強磁場垂直於磁通面時，磁通等於磁感應強度與面積的乘積，即
φ=BS
磁通的單位是韋。
韋伯
韋伯，1804年生，德國物理學家。1832年韋伯協助高斯提出磁學量的絕對單位。1833年又與高斯合作發明了世界上第一台有線電報。韋伯還發明了許多電磁儀器，如雙線電流表、電功率表、地磁感應器等。韋伯提出了電磁作用的基本定律，將庫侖靜電定律、安培電動力定律和法拉第電磁感應定律統一在一個公式中，用他的名字命名為磁通量的國際單位。
在圖3-6所示的實驗中，在通電螺旋管中插入銅棒去吸引鐵屑時，可觀察到只有少量鐵屑被吸起；當插入鐵棒去吸引鐵屑時，可觀察到有大量鐵屑被吸起，磁場力增大了很多。這表明：磁場的強弱不僅與電流和導體的形狀有關，還與磁場中媒介質的導磁效能有關。
媒介質導磁效能的強弱用磁導率μ來表示，μ的單位是亨每米。不同的媒介質有不同的磁導率。
真空中的磁導率μ是個常數，由實驗測定
與電介質的介電常數類似，媒介質的磁導率也引入相對磁導率的概念：任一媒介質的磁導率μ與真空的磁導率μ的比值，即
相對磁導率是個倍率，沒有單位。表3-1所示為常用鐵磁性材料的相對磁導率。
3.2.4磁場強度
磁感應強度B的大小不僅與導體形狀和透過的電流有關，還與周圍介質有關。為方便計算，引入了磁場強度這個物理量來描述磁場的性質。磁場強度的大小僅與導體形狀和透過的電流有關，與磁場中的媒介質性質無關。
用磁感應強度B與媒介質磁導率μ的比值來定義該點的磁場強度，用H來表示，即
H的單位是安每米等。
3.3鐵磁性材料
自然界的物質按其磁效能可分為弱磁性物質和鐵性物質，其中鐵磁材料包括鐵、鈷、鎳及其合金和鐵氧化體等。它是制造變壓器、電機及電器等各種電氣器材的主要材料，磁性材料的磁效能對電磁器件的效能和工作狀態有很大影響。
3.3.1鐵磁性材料的磁化
本來不具磁性的物質，由於受磁場的作用而具有了磁性的現象叫做該物質被磁化。只有鐵磁性物質才能被磁化，而非鐵磁性物質是不能被磁化的。
鐵磁性物質能夠被磁化的內因，鐵磁性物質是由許多被叫做磁域的磁性小區域所組成的，每一個磁域相當於一個小磁鐵，在無外磁場作用時，磁域排列雜亂無章，如圖3-7所示。有些鐵磁性物質在去掉外磁場以後，磁域的一部份或大部份仍然保持取向一致，對外仍顯示磁性，這就成了永久磁鐵。
鐵磁性物質被磁化的效能，廣泛地套用於電子和電氣器材中。例如，變壓器、繼電器、電機等，采用相對磁導率高的鐵磁性物質作為繞組的鐵心，可使同樣容量的變壓器、繼電器和電機的體積大大縮小，質素大大減輕；半導體收音機的天線線圈繞在鐵氧體磁棒上，可以提高收音機的靈敏度。
各種鐵磁性物質，由於其內部結構不同，磁化後的磁性各有差異，下面透過分析磁化曲線來了解各種鐵磁性物質的特性。
3.3.2磁化曲線
鐵磁材料的磁飽和性體現在因磁化而產生的磁感應強度B
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磁性材料的磁化特性可用磁化曲線B=f(H)來表示，磁性材料的磁化曲線如圖3-8所示。其中B是如果磁場內不存在磁性材料時的磁感應強度，將B直線和B
當磁場中有磁性材料存在時，B與H不成正比，磁性材料的磁導率μ不是常數，它將隨著H的變化而變化，圖3-9所示為μ=f(H)曲線。由於磁通φ與磁感應強度B成正比，產生磁通的勵磁電流I與H成正比，因此在有磁性材料的情況下，磁通φ與勵磁電流I也不成正比，對於不同的磁性材料，其磁化曲線也不相同。
3.3.3磁滯回線
鐵磁材料在交變磁場中反復磁化時，磁感應強度的變化滯後於磁場強度的變化，這種現象稱為磁性材料的磁滯性。此時，表示磁感應強度B與磁場強度H變化關系的封閉曲線稱為磁滯回線。
由圖3-10可見，當鐵磁材料被磁化，磁場強度H由零增加到某值（H=+H
3.3.4鐵磁性物質的分類
鐵磁性物質根據磁滯回線的形狀可以分為軟磁性物質、硬磁性物質和矩磁性物質3大類。
軟磁性物質
軟磁性物質的磁滯回線窄而陡，回線所包圍的面積比較小，如圖3-10所示。因而在交變磁場中的磁滯損耗小，比較容易磁化，但撤去外磁場，磁性基本消失，即剩磁和矯頑磁力都較小。
這種物質適用於需要反復磁化的場合，可以用來制造電機、變壓器、儀表和電磁鐵的鐵心。軟磁性物質主要有矽鋼、坡莫合金和軟磁鐵氧體等。
硬磁性物質
硬磁性物質的磁滯回線寬而平，回線所包圍的面積比較大，如圖3-11所示。因而在交變磁場中的磁滯損耗大，必須用較強的外加磁場才能使它磁化，但磁化以後撤去外磁場，仍能保留較大的剩磁，而且不易去磁，即矯頑磁力也較大。
這種物質適合於制成永久磁鐵。硬磁性物質主要有鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼和鋇鐵氧體等。
矩磁性物質
這是一種具有矩形磁滯回線的鐵磁性物質，如圖3-12所示。它的特點是當很小的外磁場作用時，就能使它磁化並達到飽和，去掉外磁場時，磁感應強度仍然保持與飽和時一樣。電腦中作為儲存元件的環形磁心就是使用的這種物質。矩磁性物質主要有錳鎂鐵氧體和鋰錳鐵氧體等。
此外，還有壓磁性物質。它是一種磁致伸縮效應比較顯著的鐵磁性物質。在外磁場的作用下，磁體的長度會發生改變，這種現象就叫做磁致伸縮效應。如果外加交變磁場，則磁致伸縮效應會使這種物質產生振動。壓磁性物質可用來制造超聲波發生器和機械濾波器等。
3.4磁路的基本概念
3.4.1磁路
在圖3-13中，當線圈中通以電流後，大部份磁感線沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構成回路，這部份磁通叫做主磁通。還有一小部份磁通，它們沒有經過工作氣隙和銜鐵，而經空氣自成回路，這部份磁通叫做漏磁通。
磁通經過的閉合路徑叫做磁路。磁路也像電路一樣，分為無分支磁路。在無分支磁路中，透過每一個橫截面的磁通都相等。
3.4.2磁路的基本概念
磁動勢
通電線圈要產生磁場，磁場的強弱與什麽因素有關呢？電流是產生磁場的原因，電流越大，磁場越強，磁通越多；通電線圈的每一匝都要產生磁通，這些磁通是彼此相加的，線圈的匝數越多，磁通也就越多。因此，線圈所產生磁通的數目，隨著線圈匝數和所透過的電流的增大而增加。換句話說，通電線圈產生的磁通與線圈匝數和所透過的電流的乘積成正比。
透過線圈的電流和線圈匝數的乘積，叫做磁動勢，用符號E
E
磁阻
電路中有電阻，電阻表示電流在電路中所受到的阻礙作用。與此類似，磁路中也有磁阻，表示磁通透過磁路時所受到的阻礙作用，用符號R
與導體的電阻相似，磁路中磁阻的大小與磁路的長度l成正比，與磁路的橫截面積S成反比，並與組成磁路的材料的性質有關，寫成公式為
式中，磁導率μ以H/m為單位，長度l和截面積S分別以m和m
3.4.3磁路的歐姆定律
由上述可知，透過磁路的磁通與磁動勢成正比，而與磁阻成反比，其公式為
式與電路的歐姆定律相似，磁通對應於電流，磁動勢對應於電動勢，磁阻對應於電阻，故叫做磁路的歐姆定律。
從上面的分析可知，磁路中的某些物理量與電路中的某些物理量有對應關系，同時磁路中某些物理量之間與電路中某些物理量之間也有相似的關系。
如圖3-15所示為相對應的兩種電路和磁路，表3-2列出磁路與電路對應的物理量及其關系式。
3.5電磁感應
3.5.1電磁感應現象
電磁感應是指因為磁通量變化產生感應電動勢的現象。
電磁感應現象的發現，是電磁學領域中最偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內在聯系，而且為電與磁之間的相互轉化奠定了實驗基礎，為人類獲取巨大而廉價的電能開辟了道路，在實用上有重大意義。電磁感應現象的發現，標誌著一場重大的工業和技術革命的到來。事實證明，電磁感應在電工、電子技術、電氣化、自動化方面的廣泛套用對推動社會生產力和科學技術的發展發揮了重要的作用。
實驗一：如圖3-16所示，固定於水平桌面上的金屬框架cdef，處在豎直向下的勻強磁場中，金屬棒ab擱在框架上，可無摩擦滑動。由實驗可知，當閉合回路中一部份導體在磁場中做切割磁感線運動時，回路中就有電流產生。
實驗二：如圖3-17所示，在一個空心紙筒上繞上一組和電流計聯接的導體線圈，當磁棒插進線圈的過程中，電流計的指標發生了偏轉，而在磁棒從線圈內抽出的過程中，電流計的指標則發生反方向的偏轉，磁棒插進或抽出線圈的速度越快，電流計偏轉的角度越大.但是當磁棒不動時，電流計的指標不會偏轉。
實驗表明：當穿過閉合線圈的磁通發生變化時，線圈中有電流產生。
在一定條件下，由磁產生電的現象，稱為電磁感應現象，產生的電流叫感應電流。
電磁感應產生的條件是：閉合電路中的一部份導體與磁場發生相對運動；穿過閉合電路的磁通發生變化。不論用什麽方法，只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有電流產生。
若穿過沒有閉合的回路的磁通發生了變化，則會產生感應電動勢，而沒有感應電流產生。
3.5.2感應電流的方向
1．右手定則
當閉合回路中一部份導體作切割磁感線運動時，所產生的感應電流方向可用右手定則來判斷。
判斷方法：伸開右手，使拇指與四指垂直，並都跟手掌在一個平面內，讓磁感線穿入手心，拇指指精靈體運動方向，四指所指的即為感應電流的方向，如圖3-18所示。
電磁學中，右手定則判斷的主要是與力無關的方向。為了方便記憶，並與左手定則區分，可以記憶成：左力右電。或者左力右感、左生力右通電。
2．楞次定律
電工基礎
袁成華;陳佳彤
社會科學
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