电磁工作原理及电磁感应现象

一、磁铁与磁性材料

1、磁铁

将一块磁铁靠近铁钉，如图一所示，会发现磁铁即使没有接触到铁钉，也会把铁钉吸引过来。磁铁没有接触铁钉就可以将它吸引过来，这是因为磁铁能产生磁场，是磁场产生的作用力将铁钉“拉”过来的。

图一 磁铁吸引铁钉

任何一块磁铁都有两个磁极，即N极、S极。由于磁铁产生的磁场人眼看不见，但实际上又存在，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，这些线条称作磁感线(俗称磁力线)，如图二所示。磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线上的箭头表示磁场的方向。从图中可以看出，磁铁N极、S极两端出来和进入的磁感线最密，所以磁铁两端的磁场最强，磁感线箭头的方向在磁铁外部是由磁铁的N极出来，S极进入(在磁内部由S极指向N极)。磁场具有同极性排斥、异极性吸引的性质。

图二 磁铁周围的磁感线

2、磁性材料

如果将一根不带磁性的钢棒接触磁铁，如图三所示，会发现先前不带磁性的钢棒现在也可以吸引铁钉，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，使钢棒也具有了磁性。

图三 磁化的钢棒吸引铁钉

没有磁性的物质在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 上性的物质称为础性材料，磁性材料可分为软磁性材料和硬磁性材料

1）软磁性材料。 软磁性材料在外部磁场作用下，容易被错化而带磁性，外部磁场消失 后，其所带的磁性会随之消失、剩磁很少，常见的软磁性材料有纯铁，硅钢，坡莫合金、锰 锌铁氧体和保锌铁氧体等，软磁性材料常用在变压器，电动机，发电机，接触器，继电器和 录音机、摄求像机的磁头中。

2） 硬磁性性材料。在外部磁场的作用下，容易被磁化而带磁性，外部磁场消失后，其性不容易消失，还会保留较强的剩磁。常见的硬磁性材料有二氧化铬，三氧化二铁、铁钻合金和铁铁合金等，硬磁性材料常用在电工仪表，高效能电动机和一些磁记录设备中。

二、通电导体产生的磁场

先来按图四所示的方法做一个实验，在一根不带磁性的铁棒上缠绕多匝线圈(匝数尽 量些)，再在线圈的引出线上接好开关和电池，在铁棒下方有一只小铁钉。在闭合开关时， 铁钉马上被铁棒吸引过来，断开开关，铁钉又会掉下米。这个实验说明，通电线圈也会产生 磁场，线圈产生的磁场将铁棒磁化使之带磁，带上磁性的铁棒就能吸引铁钉。

图四 通电线圈产生磁场

通电导体能产生磁场，该磁场与磁铁产生的磁场一样，都具有大小和方向，通过导体的 电流方向变化，导体产生的磁场方向也会变化。下面来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)通电螺旋管导体的电流与磁场关系

在图四中，绕在铁棒上的线圈呈螺旋状，通常将这种形状的导体称为螺旋管导体。对 于通电螺旋管导体，通过电流的方向与产生磁场的方向可用右手螺旋定则来判断。如图五所示，用右手四指握住螺旋管，四指的弯曲方向与环形电流方向一致，让大拇指伸直，大拇指所指的方向就是螺旋管产生的磁场磁感线方向。大家可试着用该方法来分析图四中线圈 产生的磁场磁感线方向。

图五 用右手螺旋定则判断通电螺旋管导体的磁场方向

(2)通电直导体的电流与磁场关系

电流通过直导体也会在导体附近产生磁场。对于通电直导体，通过电流的方向与产生磁 场的方向也可用右手螺旋定则来判断。如图六所示，用右手四指握住直导体，让伸直的大 拇指指向电流的方向，弯曲的四指所指的方向就是直导体产生的磁场磁感线的方向。

图六 用右手螺旋定则判断通电直导体的磁场方向

二、通电导体产生的磁场

通电导体会产生磁场，若将通电导体放在其磁场中（如磁铁产生的磁场），通电导体产生的磁场与其他磁场就会产生吸引或排斥，从而使通电导体收到作用力。通电导体在磁场中受到的力称为安倍力。

安培力的方向可用左手定则来判断。如图七所示，伸开左手手掌，让大拇指和其余四手指垂直，并且和手掌都在同一平面内，把于掌伸入磁场中，让磁感线垂直穿过手掌，同时让四指指向导体的电流方向，那么，大拇指所指的方向就是通电导体在磁场中所受安培力的方向。

图七 用左手定则判断通电导体在磁场中的受力方向

导体在磁场中所受安培力的大小与磁感应强度B、导体流过的电流I。导体的长度L有关。导体在磁场中受到的安培力可用下面的式子来计算：

F=BILsinαF=BILsin\alpha

式中，F为安培力，单位为牛顿(N)：B为磁感应强度，单位为特斯拉(T)，它表示磁场中各点磁场的强弱和方向，其大小用该点磁感线的疏密来表示，某点磁感线越密，则该点的磁感应强度越大，如果磁场中各点的磁场强弱相同，那么该磁场为匀强磁场，匀强磁场中各点磁感应强度是相同的，磁感应强度的方向与磁场方向相同；L为导体的长度，单位为米(m)；1为导体通过的电流，单位为安培(A)： α\alpha 为导体与磁场的夹角，如图八所示，如果通电导体与磁场垂直，即a=90°，那么通电导体在磁场受到的安培力F=BIL。

图八 安培力计算公式说明

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在磁场中切割磁感线，或者穿过闭合电路的磁感线数量(又称磁通量)发生变化时，闭合电路中就有电流产生，这种现场称为电磁感应现象。

1、导体在切割磁感线时会产生电流

当导体切割磁场磁感线时，导体会产生电动势，如果将该导体与其它线路接成闭合电路， 电路中就有电流流过。如图九所示，将与电流表连接在一起的导体放在磁场中，当导体在磁场中作切割磁感线运动时，导体中马上有电动势产生，此时的导体就相当于一个电池，它会输出电流，电流表表针摆动。

图九 用右手定则判断导体切割磁力线时产生的电流方向

导体产生的电动势方向(也即导体 电流表 产生的电流方向)与导体的运动方向、磁场的方向有关，导体产生的电动势的方向可用右手定则判断。具体如图九所示，伸开右手，让拇指和四指垂直并 且在同一平面内，将右手掌放入磁场 中，让磁感线垂直穿过掌心，拇指指向导体运动的方向，四指所指的方向就是 导体产生电动势的方向，也是导体产生电流的方向。

在图九中，如果导体静止不动，而让磁场横向运动，导体也会切割磁感线，导体中也有电动势产生。在这种情况下判断导体电动势的方向时，应将磁场运动的相反方向看作导体的运动方向，如磁场往左运动可以看成是磁场不动而导体往右运动，再用右手定则来分析导 体产生的电动势方向。

导体在磁场中切割磁感线时会产生电动势，其产生的电动势大小可用下面公式计算

E=BLVsinαE=BLVsin\alpha

式中，E为电动势，单位为伏特(V)；B为磁感应强度，单位为特斯拉(T)；L为导体 的长度，单位为米(m)：V为导体在磁场中的运动速度，单位为米每秒(ms)： α\alpha 为导体运 动方向与磁场方向的夹角，导体运动方向与磁场方向垂直时， α\alpha =90°

2、闭合电路在磁通量变化时会产生电流

除了导体切割磁感线会产生电动势外，闭合电路的磁通量发生变化时也能产生电动势。 为了说明闭合电路磁通量发生变化能产生电动势，先按如图十所示做一个实验，将线 圈与一个电流表连接起来，电流表表针不动，然后拿一块磁铁靠近线圈。当磁铁插入线圈时电流表表针会摆动，说明线圈有电流产生：当磁铁插在线圈中不动时，表针不动，说明线圈无电流产生：当突然拔出磁铁时，表针又发生摆动，说明线圈又有电流产生，但表针此刻的摆动方向与插入磁铁时的摆动方向相反。

图十 闭合导体的磁通量发生变化时产生电流的实验

在该实验中，当插入磁铁时，穿过线圈的磁感线数量增多(即磁通量增多)：当拔出磁穿过线圈的磁感线数量减少(即磁通量减少)，线圈中都有电流产生：而磁铁在线圈中不动时，穿过线圈的磁感线数量不变(即磁通量不变)，线圈中无电流产生。因此可以得出这样的结论：当穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈会产生电动势：当线圈与其他元器件组成闭合电路时，线圈中就有电流产生。

线圈产生的电动势方向与穿过线圈的磁通量有关，它们之间的关系可用楞次定律来判断。楞次定律指出：闭合线圈的感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。具体来说，当穿过线圈的磁通量增多时，线圈产生的感应电流所形成的磁场要阻碍磁通量增多：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈产生的感应电流所形成的磁场要阻碍磁通量减少。

利用楞次定律可判断线圈产生的感应电流方向。具体是：先判断穿过线圈的磁通量方向及变化趋势(即是增大还是减小)，再根据感应电流的磁场总是阻碍磁通量变化的原则，来确定感应电流的方向。下面以图十一所示两种情况来进一步说明。

在图十一(a)中，穿过线圈的磁通方向是下N上S,并且磁通量具有增多的趋势。根据感应电流产生的磁场总是阻碍磁通量变化的原则，确定线圈感应电流产生的磁场应是上N下S,因为只有线圈产生上N下S的磁场才能阻碍下N上S并且增多的磁通量(可理解为同性相斥，线圈感应电流产生的上N下S的磁场阻碍下N上S的磁铁靠近)，确定线圈产生的磁场方向后，再用右手螺旋定则不难判断出线圈的感应电流方向是由下往上。

在图十一(b)中，穿过线圈的磁通方向是下N上S,并且磁通量具有减少的趋势。根据感应电流产生的磁场总是阻碍磁通量变化的原则，确定线圈产生的磁场应是上S下N,因为只有线圈产生上S下N的磁场才能阻碍下N上S并且减少的磁通量(可理解为异性相吸，线圈产生的上S下N的磁场吸引下N上S的磁铁，阻碍其离开)，确定线圈产生的磁场方向后，再用右手螺旋定则不难判断出线圈的感应电流方向是由上往下。

图十一 用楞次定律判断线圈产生的感应电流方向

线圈产生的感应电动势大小可用法拉第电磁感应定律来计算。法拉第电磁感应定律指出：闭合线圈产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比，其数学表达式为：

E=NΔϕΔtE=N\frac{\Delta\phi}{\Delta\ t}

式中，E为电动势；N为线圈的匝数； Δϕ\Delta\phi 表示磁通量的变化量；△t表示磁通量变化 Δϕ\Delta\phi 所需的时间。从上述式子可以看出，与磁铁缓慢靠近或远离线圈相比，磁铁快速靠近或远离线圈时，磁通量 Δϕ\Delta\phi 变化相同，但变化所需的时间△t更短，故线圈产生的电动势会更高。

五、自感与互感

1、自感

图十二为两个实验电路，在图(a)电路中，当开关闭合时，灯泡HL2马上变亮，而灯泡H1慢慢变亮，然后亮度不变；在图(b)电路中，当开关闭合时，灯泡HL马上变亮，开关断开时，H不会马上熄灭，而是慢慢熄灭。

图十二 自感实验

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。由于导体本身电流发生变化而产生电动势的现象称为自感现象，由自感产生的电动势称为自感电动势，电动势的方向总是要阻碍电流的变化。

在图十二 (a)电路中，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，线圈马上产生左正右负的自感电动势，阻碍增大的电流通过(可理解为线圈左端为正，左端电位升高，电流较难通过)，由于自感电动势的阻碍，流过线圈的电流只能慢慢增大，故灯泡HLI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:在图图十二 (b)电路中，当开关断开时，流过线圈的电流突然减小，线圈马上产生左负右正的自感电动势，阻碍电流减小(可理解为线圈左端为负，左端电位下降，吸引电流通过线圈)，由于线圈与HL组成一个闭合电路，线圈此刻就像是一一个左负右正的电池，它产生电流流过HL,电流方向是线圈右正-HL *线圈右负，电流在线圈内部是由左端流到右端，随着流过HL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。

线圈产生的自感电动势大小与电流的变化率AI/At成正比，与线圈的自感系数L (又称电感量，其大小与线圈匝数等有关，匝数越多，L值越大)也成正比，自感电动势的数学表达式为:

E=LΔIΔtE=L\frac{\Delta I}{\Delta t}

2、互感

图十二为一个实验电路，在一个环形铁芯上绕有两组线圈，一组线圈（称作一次绕组）接电源和开关，另一组线圈（称作二次绕组）接一只电流表，当开关闭合时，会发现电流表的表针摆动一下，然后不动。

图十二 互感实验

为什么会出现这种现象呢?原来当开关闭合时。一次绕组突然有增大的电流（从无到有）通过，绕组马上产生自感电动势阻碍该电流增大，因此流过一次绕组的电流只能慢慢增大。此电流产生的磁场慢慢增强，该逐渐增强的磁场沿着铁芯穿过二次绕组，即穿过二次绕组的磁通量逐渐增大，根据电磁感应规律可知，当穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈会产生电动势，因此二次绕组会产生电动势，二次绕组与电流表接成闭合回路，电流表就有电流通过。开关闭合后，当一次绕组的电流达到最大值不再变化时，产生的磁场也不变化，穿过二次绕组的磁通量也就不变，二次绕组不再产生电动势，电流表无电流通过。当开关断开时，电流表表针也会摆动一下，其原因可自行分析。

一个线團的电流变化而使其它线圈产生感应电动势的现象称为互感现象。由互感而产生的电动势称为互感电动势。互感电动势的大小与穿过本线圈的磁通量变化率成正比，互感电动势的计算比较复杂，这里不作介绍。变压器、电压互感器和电流互感器都是利用互感原理来工作的。

互感现象不仅会发生在两个相距很近的线圈之间，也会发生在任意两个相互靠近的电路之间，这样容易引起干扰，给电路加设屏蔽罩可减少或避免这种干扰。