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1、第六章 电动机与发电机第一节 磁 现 象一、磁场日常生活中我们可以看到这样的现象：当一根磁铁靠近另一根磁铁时，两根磁铁的磁极之间会产生相互作用力，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。这同两个电荷之间相互作用的情形相似，尽管磁极没有相互接触，它们之间也有力的作用。我们已经学过，电荷之间的静电力是通过电场发生的，与此类似，磁极之间的相互作用是通过磁场发生的，磁极在空间产生磁场，磁场对其中的磁极有磁场力的作用。二、电流的磁场磁体能够产生磁场，但它并不是磁场的唯一来源。早在18世纪就有人观察到闪电能够使小刀、汤匙等钢铁制品变成磁体，还有人曾经用莱顿瓶放电使钢针磁化。这些偶然观察到的现象表明电与磁之间有
2、着某种联系，但是当时人们并没有通过有目的的实验归纳出明确的结论。1820年，丹麦物理学家奥斯特(17771851)把一根水平放置的导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方，当他给导线通电时，磁针立即发生偏转，摆向东西方向(见图6-1)，就像在磁针旁边放上一块磁铁一样。这个实验表明，在通电导线的周围和磁铁的周围一样，存在着磁场。三、磁场的方向 磁感线把一些小磁针放在条形磁铁的周围，可以看到，这些小磁针静止的时候，不再指向南北，而且，不同位置的小磁针北极所指的方向是不同的(见图6-2)。我们规定，在磁场中的任一点，小磁针北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向。正像在电场中
3、可以利用电场线来形象地描述各点的电场方向一样，在磁场中可以利用磁感线来形象地描述各点的磁场方向。所谓磁感线，是在磁场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上，每一点的曲线方向，亦即该点的切线方向，都跟该点的磁场方向相同(见图6-3)。在实验上常用铁屑在磁场中被磁化的性质，来显示磁感线的形状。在磁场中放一块玻璃板，在玻璃板上均匀地撒一层细铁屑，细铁屑在磁场里被磁化成“小磁针”，轻敲玻璃板使铁屑能在磁场作用下转动，铁屑静止时就有规则地排列起来，显示出磁感线的形状。图6-4是条形磁铁和蹄形磁铁的磁感线分布情况。磁铁外部的磁感线，都是从磁铁北极出来进入磁铁南极的。四、安培定则图6-5是直线电流的磁场。直
4、线电流磁场的磁感线，是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上(见图6-5a)。实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都变成相反的方向。直线电流的磁感线方向跟电流方向之间的关系可以用安培定则(也叫右手螺旋定则)来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向(见图6-5b)。图6-6是环形电流的磁场。环形电流磁场的磁感线，是一些围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直(如图6-6a)。环形电流的磁感线方向跟电流方向之间的关系，也可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指和环形电
5、流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向(见图6-6b)。通电螺线管表现出来的磁性，很像是一根条形磁铁，一端相当于北极，另一端相当于南极。改变电流的方向，通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从北极出来进入南极的。通电螺线管内部具有磁场，内部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由南极指向北极，并和外部的磁感线连接，形成一些闭合曲线。通电螺线管的磁感线方向跟电流方向之间的关系，也可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是说，大拇指指向通电螺线管的北极。五、磁性材
6、料及其应用世界上最早的指南针是我国战国时期制造的“司南”。它是把天然磁铁磨成勺子的形状，勺柄是S极，使重心落在圆而光滑的正中，然后把勺子放在一个光滑的盘子上。使用的时候，把勺头放平，用手拨动它的柄，使它转动，当司南停下来时，其长柄指向南方。这是因为地球本身是个大磁体，地磁场的北极在地理南极附近，地磁场的南极在地理北极附近，因此磁针(司南)受地磁场的作用，一端指南而另一端指北。地磁两极与地理两极并不重合，所以磁针一般并不指向正南正北。当时，有的人到山里去采药，害怕迷失方向，就带上司南来辨别方向。我国不但是世界上最早发明指南针的国家，而且是最早把指南针用在航海事业上的国家。据记载，南宋的时候，航海
7、的人已经用“罗盘”来指示航向了。任何物质在磁场的作用下都能够或多或少地被磁化，只是被磁化的程度不同。像铁那样能够被强烈磁化的物质叫做铁磁性材料。磁化后的铁磁性物质，它们的磁性并不因外磁场的消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。铁磁性物质按剩余磁性的情形分为两种，一种如碳钢、钨钢、铝镍钴的合金等，它们的剩余磁性较强而且不易消失，能够保留较强的磁性，这种材料叫做硬磁性材料(又称永磁材料)。硬磁性材料适用于制造永久磁铁，被应用在磁电式仪表、话筒、扬声器、永磁电机等电器设备中。另一种如软铁、硅钢、镍铁合金等，它们的剩余磁性较弱而且容易消失，这种材料叫做软磁性材料。软磁性材料适用于需要反复磁化的场合，可以
8、用来制造变压器、电磁铁、交流发电机等电器设备的铁芯。六、电磁铁及其应用当我们把铁芯插入通电螺线管，铁芯被磁化，也要产生磁场，于是通电螺线管的周围既有电流产生的磁场，又有磁铁产生的磁场，因而磁场大大增强了，这就是电磁铁的原理。在生产生活中，电磁铁的应用很广泛.图6-8是电铃的示意图，当按下按钮时，电磁铁开始工作，吸引铁质小锤而敲击铃体发声。此时在接触点发生断路，使电路中断电，电磁铁失去磁性而停止工作，在弹簧片的作用下，使小锤恢复到原来的位置，电路重新接通，电磁铁又开始工作，周而复始，小锤不断敲击铃体发出响声，直到松开按钮。在电话中，把声音变成电波传送到话筒内，话筒内的电磁铁收到电波后产生振动，这
9、时又转换成声音。利用电磁铁可以吊起沉重的铁块和铁渣等。如果电流中断，吸引的物体就会从电磁铁上掉下来。第二节 磁感应强度 安培力一、磁感应强度磁场不仅有方向性，而且有强弱的不同。巨大的电磁铁能够吸起成吨的钢铁，小的磁铁只能吸起小铁钉；就是同一块磁铁，两极部位的磁场也比其他部位的磁场强。对于电流产生磁场的情况，电流越大，产生的磁场越强。我们用磁感应强度来表示磁场的强弱，磁感应强度的符号是B。在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号是T。一般永磁铁附近的磁感应强度大约是10-3T，在电机和变压器的铁芯中，磁感应强度可达0.81.4T，通过超导材料的强电流的磁感应强度可高达1000T，而
10、地面附近地磁场的磁感强度大约只有310-5710-5T。磁感应强度不但有大小，而且还有方向，是个矢量。磁场中某点的磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，即通过该点的磁感线的切线方向。可见，从磁感线可以形象地了解磁场中各处磁感应强度的方向。磁感线的疏密反映了磁感应强度的大小。显然，按照上面的规定，在磁感应强度的大小处处相等、方向处处相同的匀强磁场里，磁感线是分布均匀的方向相同的平行直线。距离很近的两个异名磁极之间的磁场(见图6-14)，通电螺线管内部的磁场，除边缘部分外，都可认为是匀强磁场。二、安培力磁场的基本特性是对其中的通电导线有作用力，磁场对通电导线的作用力通常称为安培力，这是为了纪念法国物
11、理学家安培(17751836)，他在对磁力的研究上有杰出的贡献。实验表明，把一小段通电导线放在磁场中的某处，我们发现，当导线方向跟该处的磁场方向一致时，通电导线所受的安培力最小，等于零；当导线方向跟该处的磁场方向垂直时，所受的安培力最大；当导线方向跟磁场方向斜交时，所受的安培力介于零和最大值之间(见图6-15)。下面，为了确定起见，我们总是把一小段通电导线垂直放入磁场，也就是放在与该处磁场方向垂直的方向上。垂直放入磁场的通电导线所受的安培力不仅跟其中的电流强度有关，而且跟导线的长短有关。实验指出：导线长度一定时，电流强度I越大，导线受到的安培力F也越大；电流强度一定时，导线l越长，导线受到的安
12、培力F也越大。这只是一个定性的实验。精确的实验表明：通电导线受到的安培力F跟通过的电流强度I和导线的长度l成正比，或者说，F跟乘积Il成正比。即在匀强磁场中，当通电导线与磁场方向垂直时，导线所受的安培力F等于磁感应强度B、电流I和导线长度l三者的乘积。当通电导线与磁场垂直时，如果电流I=1A，导线长l=1m，而且这段导线受的安培力恰为F=1N，那么从上式可以看到：三、安培力的方向(左手定则)通电导线在磁场中受到的作用力的方向跟导线中的电流方向、磁场方向都有关系。这一点，我们在初中已经学过了。通电导线在磁场中所受作用力的方向跟磁场方向、电流方向之间的关系，可以用左手定则来判定：伸开左手，使大拇指
13、跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向(见图6-16)。第三节 电 动 机我们在初中做过这样的实验，把一段直导线放在磁铁的磁场中，当导线中通过电流时，可以看到导线因受力而发生运动。这个实验使我们进一步知道了电和磁的联系，磁场不仅会对磁极产生磁场力的作用，对电流也会产生磁场力的作用。根据这个原理，我们制造了电动机。电动机是把电能转换成机械能的设备。在生产生活中的应用十分广泛。比如电动玩具、电风扇、电动自行车及许多家用电器里都有电动机。一、电动机的构造一般电动机主要由两部
14、分组成：固定部分的电磁铁称为定子，旋转部分的线圈称为转子。另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等(见图6-22)。定子的作用是产生磁场和做电动机的机械支撑。电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势，实现电能量转换。机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。电动机运行时，因内部损耗而产生的热量通过铁心传给机座，再通过机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为片状。电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是作为电动机磁路的一部分。转子绕组的作用是产生感应电动势，通过电流而产生电磁转矩。转轴是支撑转子
15、、传递转矩、输出机械功率的主要部件。二、电动机的工作原理电动机的工作原理是建立在法拉第电磁感应定律、安培全电流定律、基尔霍夫定律、毕-萨电磁力定律和能量守恒定律等基础上的。电动机有直流和交流两大类，这里简单介绍换向器式电动机的基本工作原理。如图6-23所示，图中两片半圆形的铜片称为换向片。换向片固定在转轴上，换向片之间以及换向片与转轴之间都是相互绝缘的。这种由换向片构成的整体称为换向器。在换向片上放置着一对固定不动的电刷A、B。电枢线圈通过换向片和电刷可与外电路接通。假设定子是永久磁铁(也可以是铁心上绕有励磁线圈的电磁铁)，转子是矩形的线圈(图中只画出一匝)。三、电动机的应用电动机通电时转子转
16、动，电能转化为机械能，由于电网供给的是交变电流，电风扇、洗衣机等家用电器中的电动机多数是交流电动机。交流电动机也是靠通电导体在磁场中所受的力来运转的。电动玩具、录音机等小型电器则多数使用直流电动机。直流电动机使用干电池，当内部电枢线圈上有电流时，电枢便成为电磁铁。由此，再被周围固定的永久磁铁吸引或推开后，电枢便开始转动了。电动机有步进电动机、直线电动机等。摄像机和计算机磁盘驱动器等都需要非常精确地来转动部件，这些部件可用步进电动机来带动。直线电动机是一种沿着金属轨道运动的感应电动机。磁悬浮列车用的就是直线电动机。第四节 电磁感应现象一、磁通量在电磁学里常常要讨论穿过某一个面的磁场，为此，要建立磁通量的概念。穿过磁场中某一个面的磁感线的条数，叫做穿过这个面的磁通量。磁通量简称磁通，符号是。我国法定计量单位规定磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是Wb。并规定在磁场中某处穿过垂直于磁场方向的单位面积上的磁感线的条数和该处的磁感应强度大小相等。如果某个面的面积为S(见图6-24)，磁感应强度为B，垂直穿过这个面的磁通量为，则磁通量可写成如果某个面不跟磁场方向垂直，穿过这个面的磁
