第五节　电磁现象及规律

一、磁铁与磁性材料

1.磁铁

将一块磁铁靠近铁钉，会发现磁铁即使没有接触到铁钉，也会把铁钉吸引过来。这是因为磁铁能产生磁场，是磁场产生的作用力将铁钉吸引过来的。

任何一块磁铁都有两个磁极，即N极和S极。磁铁产生的磁场看不见，摸不着，但实际上是存在的。为了表示磁场强弱和方向，通常在磁铁周围画一些带箭头的闭合线条，这些线条称作磁力线（也称磁感线），如图1-27所示，磁力线的疏密表示磁场的强弱，磁力线上的箭头表示磁场的方向。从图1-27中可以看出，磁铁N极、S极两端出来和进入的磁力线最密，可见磁铁两端的磁场最强，磁力线箭头的方向在磁铁外部是由磁铁的N极出来，S极进入（在磁铁内部由S极指向N极）。磁场具有异极性相吸、同极性相斥的性质。

2.磁性材料

如果将一根不带磁性的钢棒接触磁铁，会发现之前不带磁性的钢棒也可以吸引铁钉，此时再移开磁铁，钢棒还能吸引铁钉，也就是说，磁铁接触钢棒，使钢棒也有了磁性。

没有磁性的物质在磁场的作用下带上磁性的现象称为磁化现象，这种在磁场作用下能带上磁性的物质称为磁性材料。磁性材料有软磁性材料和硬磁性材料两种。

（1）软磁性材料　在外部磁场作用下，容易被磁化而带磁性，外部磁场消失后，其所带的磁性会随之消失，剩磁很少。软磁性材料常用在发电机、电动机、变压器、继电器等中。

（2）硬磁性材料　在外部磁场作用下，容易被磁化而带磁性，外部磁场消失后，其磁性不容易消失，还会保留较强的剩磁。

二、通电导体产生的磁场

先做个实验，如图1-28所示，将一根导线绕成多匝线圈（匝数尽量多些），再在线圈的引出线上接上开关和电池，在线圈周围放上小磁针。闭合开关时，小磁针发生偏转。这表明，通电线圈会产生磁场，线圈产生的磁场作用于小磁针，使小磁针发生偏转。

任何通有电流的导体都可以在其周围产生磁场的现象称为电流的磁效应。通电导体产生的磁场与磁铁产生的磁场一样，都具有大小和方向，通电导体的电流方向变化，导体产生的磁场方向也会变化。下面分析两种类型的通电导体的电流与其产生的磁场的关系。

1.通电线圈的电流与磁场关系

通电线圈产生的磁场方向可以用安培右手定则（线圈）来判定（图1-29）：用右手握住线圈，四指弯曲的方向与电流的方向一致，那么拇指的指向就是磁力线的方向。

汽车上的继电器、起动机上的电磁开关等就是电流磁效应的典型应用。如图1-30为电磁开关示意图，一个较小的电流流过绕在铁芯上的电磁线圈，产生电磁吸力使电路触点闭合。然后，开关触点便可能接通大电流到用电设备，即以小电流控制大电流。

2.通电直导体的电流与磁场关系

电流通过直导体会在导体周围产生磁场。对于通电直导体，通过电流的方向与产生磁场的方向，也可以用安培右手定则（导线）来判定（图1-31）：用右手握住有电流的直导线，拇指指向电流方向，则弯曲的四指所指的方向即为磁力线的方向。

三、通电导体在磁场中的受力情况

通电导体会产生磁场，若将通电导体放在其他磁场中，通电导体产生的磁场与其他磁场就会产生吸引或排斥，从而使通电导体受到作用力，通电导体在磁场中所受的作用力称为电磁力。

通电导体在磁场中所受作用力的方向，可用左手定则判定（图1-32）：将左手伸开，使拇指与四指垂直，让磁力线垂直穿过掌心，四指朝向导体电流的方向，拇指所指的方向就是导体所受电磁力的方向。

四、电磁感应

电流可以产生磁场，反过来也可以利用磁场产生电流。当闭合电路的部分导体相对于磁场运动且切割磁力线或者线圈中的磁通量发生变化时，闭合电路中就有电流产生，这种现象叫电磁感应现象。

要注意的是这种切割磁力线的运动可以是导体相对磁体运动，也可以是磁体相对导体运动。汽车的交流发电机就是利用电磁感应原理发电的。

1.导体在切割磁力线时会产生电流

当导体切割磁力线时，在导体上会产生感应电动势，若将导体与其他线路接成闭合回路，则导体中就有电流流过。如图1-33所示，在均匀磁场中放置一根导体，导体两端连接一个灯泡，当导体垂直切割磁力线时，可以明显地观察到灯泡发亮。这说明导体回路中有电流存在。另外，当使导体平行于磁力线方向运动时，灯泡不发亮，说明导体回路中不产生电流。

2.线圈中的磁通量发生变化时会产生电流

当穿过线圈中的磁通量发生变化时，线圈也会产生感应电动势，如果线圈与其他元件组成闭合电路，线圈中就有电流产生。如图1-34所示，空心线圈两端连接检流计，当用一块条形磁铁快速插入线圈时，我们会观察到检流计指针向一个方向偏转；如果条形磁铁在线圈内静止不动，则检流计指针不偏转；再将条形磁铁由线圈中迅速拔出时，又会观察到检流计指针向另一个方向偏转。

五、自感与互感

1.自感

自感实验如图1-35所示，在图1-35（a）中，当开关闭合时，灯泡2马上变亮，而灯泡1慢慢变亮，然后亮度不变；图1-35（b）中，当开关闭合时，灯泡马上变亮，而开关断开时，灯泡不会马上熄灭，而是慢慢熄灭。

为什么会出现这种现象呢？原来当流过线圈的电流发生变化时，线圈会产生电动势。一个线圈因本身电流变化而引起的电磁感应现象称为自感，由自感产生的电动势称为自感电动势。

图1-35（a）中，当开关闭合时，流过线圈的电流由无到有，该电流是一个增大的电流，线圈马上产生自感电动势，阻碍增大的电流通过，由于自感电动势的阻碍，流过线圈的电流只能慢慢增大，所以灯泡1慢慢变亮，当电流达到最大值不再变化时，线圈的自感电动势消失，灯泡亮度保持不变。

图1-35（b）中，当开关断开时流过线圈的电流突然减小，线圈马上产生自感电动势，阻碍电流减小，由于线圈与灯泡构成了一个闭合电路，会使产生的电流流过灯泡，随着流过灯泡和线圈的电流不断减小，线圈产生的电动势不断降低，当电流为0时，线圈的电动势也为0。

2.互感

互感实验如图1-36所示，在铁芯上绕有A、B两个线圈。线圈A接电源和开关，线圈B接一个电流表，当开关闭合时，会发现电流表的表针摆动一下，然后不动。将开关断开时，电流表表针也会摆动一下。

为什么会出现这种现象呢？原来当线圈A有断续的电流通过时，铁芯中的磁力线就会随着电流的通、断而产生或消失。但变化的磁力线同样穿过线圈B，于是穿过线圈B的磁通量不断变化。根据电磁感应原理，线圈B上也会产生感应电压。

一个线圈中的电流发生了变化而使另一个线圈产生感应电动势的现象称为互感。

在这个发生自感与互感现象的过程中，把通有电流的线圈A叫初级线圈，因互感作用产生感应电压的线圈B叫次级线圈。当初级线圈通过电流时，次级线圈与初级线圈匝数之比越大，次级线圈上的感应电压就越高。汽车发动机上的点火线圈就是利用这一原理制成的，如图1-37所示，发动机的点火系统控制初级线圈充电与断开，在次级线圈上感应出上万伏的点火电压。虽然初级线圈的充电电压只有12V，但次级线圈与初级线圈的匝数比很大，因此能产生点火高压。