1.4 电磁现象及规律

1.4.1　磁铁与磁性材料

磁铁具有吸铁的性质，称为磁性。任一磁铁均有两个磁极：即N极（英文north，北极）和S极（英文south，南极）。磁铁端部磁性最强，越接近中央磁性越弱。同性磁极相斥，异性磁极相吸。

磁铁能吸铁的空间，称为磁场。为了形象化，常用磁力线来描绘磁场的分布。

易磁化的材料称为铁磁性材料。铁磁性材料又有两种：一种是，一经磁化则磁性不易消失（称为剩磁）的物质，叫硬磁材料，用来制作永久磁铁；另一种是，剩磁极弱的物质，叫软磁材料，用来制作电机和电磁铁的铁芯。

1.4.2　通电导体产生的磁场

磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场（俗称“动电生磁”），这个现象称为电流的磁效应。

电流磁效应的发现，用实验展示了电与磁的联系，说明电与磁之间存在着相互作用，这就是安培定则。

直线电流的磁场

电流产生磁场的方向与电流方向有关，判定的方法是安培定则（也称右手定则）。

直线电流的安培定则

用右手握住导线，使大拇指的指向与电流方向一致，则弯曲四指的指向就是磁场的方向。

通电螺母管的磁场

用右手握住线圈，使大拇指与并拢四指相互垂直，使弯曲四指的指向与电流方向一致，大拇指所指的方向就是磁场的方向，就是N极。

实验证明，在均匀磁场中，载流导体在磁场中受到电磁力的大小，与磁感应强度成正比，与导体中电流大小成正比，与导体在磁场中的有效长度成正比。

综上所述，可将该关系写为如下公式。

电磁力与导线关系

当直导线与磁场方向（即磁感应强度方向）垂直时，则sin90°＝1，F＝Fm为最大；若直导体与磁场方向平行，则sin0°＝0，F＝0。

由上可知，若将通电线圈放在磁场中，必然会受到大小相等、方向相反的一对电磁力的作用，即为电磁转矩的作用，它会使通电线圈转动起来。直流电动机就是根据这一原理而工作的。

1.4.3　电磁感应

实践证明：导体与磁力线之间有相对切割运动时，这个导体中就有电动势产生；回路的磁通量变化时，回路中就有电动势产生，这种现象称为电磁感应，也称“动磁生电”。由电磁感应现象所产生的电动势叫做感应电动势，由感应电动势所引起的电流叫做感应电流。

导体切割磁力线产生的感应电动势

将一段直导体放在磁场中作切割磁力线运动，在导体两端就会产生感应电动势。感应电动势的方向与磁场方向和导体运动方向三者之间的关系，可用右手定则来判定。

导体在均匀磁场中作切割磁力线运动时，产生的感应电动势的大小为

当a＝90°时，E＝Em为最大，当a＝0°时，E＝0，不产生感应电动势。导体切割磁力线的速度越快，产生的感应电动势也越大。

应当指出：当切割磁力线的直导体没有构成闭合回路时，导体中只产生感应电动势，而不会产生感应电流。交直流发电机就是利用这一原理，在磁场中线圈作切割磁力线运动，将机械能转换成电能的，所以“右手定则”也有被称为“发电机定则”。

线圈中磁通发生变化产生感应电动势

当穿过线圈中的磁通发生变化时，在线圈的两端会产生感应电动势，这种现象也称为电磁感应。楞次定律：

在电磁感应过程中，感应电流所产生的磁通总是要阻碍原有磁通的变化，这个规律人们称为楞次定律。

应用楞次定律来判定感应电动势或感应电流方向的具体步骤是：

应当注意，必须把线圈或导体看成一个电源。在线圈或直导体内部，感生电流从电源的“–”端流到“+”端；在线圈或直导体外部，感生电流由电源的“+”端经负载流回“–”端。因此，在线圈或导体内部感生电流的方向永远和感生电动势的方向相同。

磁铁插入和拔出线圈时感生电流的方向

楞次定律说明了感生电动势的方向，而没有回答感生电动势的大小。为此，我们可以重复上述的实验。我们发现检流计指针偏转角度的大小与磁铁插入或拔出线圈的速度有关，速度越快，指针偏转角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度，也反映了线圈中磁通变化的快慢。所以，线圈中感生电动势的大小与线圈中磁通的变化速度（即变化率）成正比，这个规律，就叫做法拉第电磁感应定律。

我们用ΔΦ表示在时间间隔Δt内一个单匝线圈中的磁通变化量。则一个单匝线圈产生的感生电动势为

对于N匝线圈，其感生电动势为

上式是法拉第电磁感应定律的数学表达式。式中负号表示了感生电动势的方向永远和磁通变化的趋势相反。在实际应用中，常用楞次定律来判断感生电动势的方向，而用法拉第电磁感应定律来计算感生电动势的大小（取绝对值）。所以这两个定律，是电磁感应的基本定律。

1.4.4　自感与互感

自感实验电路

我们把上述这种由于流过线圈本身的电流发生变化，而引起的电磁感应叫自感现象，简称自感。电感量（L）应为：

一个线圈中通过1A电流，能产生1Wb的自感磁通，则该线圈的电感就叫1亨利，简称亨。用字母H表示。在实际工作中，特别是在电子技术中，有时用亨利作单位太大，常采用较小的单位。它们与亨利的换算关系是：

1H（亨）=1×103mH（毫亨）=1×106μH（微亨）

电感L的大小不但与线圈的匝数以及几何形状有关（一般情况下，匝数越多，L越大），而且与线圈中媒介质的磁导率有密切关系。对有铁芯的线圈，L不是常数，对空心线圈，当其结构一定时，L为常数。我们把L为常数的线圈叫线性电感，把线圈统称电感线圈，也称电感器或电感。

由于自感也是电磁感应，必然遵从法拉第电磁感应定律，所以将Φ＝Li代入eL＝中可得线性电感中的自感电动势为

负号表示自感电动势的方向永远和外电流的变化趋势相反。通过以上讨论，可以得出结论：

自感现象在各种电气设备和无线电技术中有广泛的应用，荧光灯的启辉器就是利用线圈自感现象的一个例子。

使用自感规则

启辉器是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装上两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的U形触片。灯管内充有稀薄的水银蒸气。当水银蒸气导电时，就发出紫外线，使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的光。

由于激发水银蒸气导电所需的电压比220V的电源电压高得多，因此，荧光灯在开始工作时需要一个高出电源电压很多的瞬时电压。在荧光灯正常发光时，灯管的电阻变得很小，只允许通过不大的电流，电流过大就会烧坏灯管，这时又要使加在灯管上的电压大大低于电源电压。这两方面的要求都是利用跟灯管串联的镇流器来达到的。

避免自感规则

自感现象有时也会带来危害。在自感系数很大、电流很强的电路中，切断电源的瞬间都会产生很大的自感电动势，使开关两端出现很高的电压，形成电弧。电弧不仅会烧蚀开关，有时还会危及操作人员的安全。因此，在需要切断较高电压电源的电路中，现在都要采用特制的安全开关，以防止产生电弧，保障安全。

涡流的产生

把块状金属放在交变磁场中，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。

涡流的损失

由于整块金属电阻很小，所以，涡流很大，这就不可避免地会使铁芯发热，温度升高，引起材料绝缘性能下降，甚至破坏绝缘造成事故。铁芯发热，还使一部分电能转换成热能白白浪费，这种电能损失叫做涡流损失。

在电机、电器的铁芯中，要想完全消灭涡流是不可能的，但可以采取有效措施尽可能地减小涡流。为了减少涡流损失，电机和变压器的铁芯通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成。这样涡流就被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，从而使涡流损失大大降低。铁芯采用硅钢片，是因为这种钢比普通钢的电阻率大，可以进一步减少涡流损失。硅钢片的涡流损失只有普通钢片的1/5～1/4。

利用涡流

电磁炉是利用涡流加热的。它利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内的磁感线通过锅的底部时，即会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速发热，从而达到烹饪食物的目的。

理想的电磁炉专用锅具应以铁和钢制品为主。此类材料能使加热过程中加热负载与感应涡流相匹配，能量转换率高，相对来说磁场外泄较少。而陶瓷锅、铝锅等则达不到这样的效果，对健康威胁也就更大一些。

由于一线圈电流变化引起另一个线圈产生感应电动势的现象，称为互感现象。产生的感应电动势叫互感电动势。

当开关S闭合或断开的瞬间，电流计的指针发生偏转，并且指针偏转的方向相反，说明电流方向相反。当开关闭合后，迅速改变变阻器的阻值，电流计的指针也会左右偏转，而且阻值变化越快，电流计指针偏转的角度越大。

实验表明线圈A中的电流发生变化时，电流产生的磁场也要发生变化，通过线圈的磁通也要随之变化，其中必然要有一部分磁通通过线圈B，这部分磁通叫做互感磁通。互感磁通同样随着线圈A中电流的变化而变化，因此，线圈B中要产生感应电动势。同样，如果线圈B中的电流发生变化时，也会使线圈A中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象，所产生的电动势叫做互感电动势。

互感的意义

互感现象的应用：应用互感可以很方便地把能量或信号由一个线圈传递到另一个线圈。我们使用的各种各样的变压器，如电力变压器、钳形电流表等都是根据互感原理工作的。

互感现象在某些情况下是非常有害的。例如：有线电话常常会由于两路电话间的互感而引起串音；无线电设备中，若线圈位置安放不当，线圈间相互干扰，影响设备正常工作。在此类情况下就需要避免互感的干扰。

＞＞特殊提示

变压器是互感现象最典型的应用，它由初级线圈N1、次级线圈N2和铁芯所组成。它可以起到升高电压或者降低电压的作用，还可以把交变信号由一个电路传递到另一个电路。但是互感现象也会带来危害，电子装置内部往往由于导线或器件之间存在的互感现象而干扰正常工作，这就需要采取一定的屏蔽措施来避免互感带来的影响。