电与磁的关系

前言

我们在中学阶段研究的电路都是通过干电池作为电源组成的直流电路。而实际电路中还有交变电流流过。

我们会发现,某些纯电阻用电器,例如白炽灯,白炽灯的电路模型可以抽象成一个电阻,构成这个电阻的材料是钨丝。白炽灯无论通过交流电,还是直流电,都能发光发热,并且都能正常工作

而某些电路元件,例如电容器电感器它们在流过直流电流和交变电流的时候,会产生不一样的现象

下面我们就来谈就这些现象,以及产生这种现象的原因。

电与磁

首先需要了解

https://www.zhihu.com/question/55815003

线圈

电路中经常能看到一些由线圈组成的元器件。

例如:

  • 变压器
  • 电感器
  • 继电器
  • 电磁铁

线圈本质上就是将导线按照螺旋形状缠绕起来,部分线圈可能使用的是带有一定电阻的漆包线。

有的线圈的螺旋洞中间会插入一个铁芯,有的不会。

通常元器件应该都要对电路产生一定的影响。例如电阻会阻碍电流流过,使得电路上的电流量变小。电池会持续在正负极性两端提供电势差,产生电压,使得电路上两个点的电位不同。

为什么把导线按照螺旋状缠绕起来就能组成一种新的元器件呢?换句话说,通电的导线究竟含有什么性质,使得他按照螺旋状缠绕以后,会对电路产生一定影响?

下面我们就来研究这个问题。

电生磁(奥斯特实验)

如果在直导线附近(导线需要南北放置),放置一枚小磁针,则当导线中有电流通过时,磁针将发生偏转。

通恒定电流导线周围产生的磁场

导线通入恒定电流,会在周围产生一个磁场。磁场的方向可以通过安培定则右手螺旋定则

右手定则(安培定则)

安培定则是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。

  • 通电直导线中的安培定则(安培定则一):用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指指向就是磁感线的环绕方向

  • 通电螺线管中的安培定则(安培定则二):用右手握住通电螺线管,让四指指向电流的方向,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

磁生电

将导体放在磁场中,做切割磁感线(由磁场N极通往S极的有向线)运动,会在导体两端产生电势差。将导体相连,会产生电流,这种电流叫做感应电流。

电磁感应现象

电磁感应英语:Electromagnetic induction),是指放在变化磁通量中的导体,会产生电动势。此电动势称为感应电动势感生电动势,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流感生电流)。

闭合回路在原磁场内产生的磁场阻碍原磁场磁通量发生变化的电流叫做感应电流。

是指放在变化磁通量中的导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流(感生电流)。

通俗的讲,当闭合回路的一部份导体在磁场中作切割磁感线运动时,此闭合回路中的磁通量一定会发生变化,在闭合回路中就产生了感应电动势,从而产生了电流,这种电流称为感应电流。

磁通量的变化是相对的。例如导体处于静止状态,磁场本身在不停的变化,那么通过导体的磁通量也就发生了变化。或者磁场本身不变,导体在磁场中做切割磁感线运动。

导体放在磁通量变化的场中,会产生感生电动势。如果用导线把这个导体闭合,将会形成感应电流

动生电动势

导体以垂直于磁感线的方向在磁场中运动,在同时垂直于磁场和运动方向的两端产生的电动势,称为动生电动势。

动生电动势是由于导体中载流子在磁场中运动受到垂直于磁场和运动方向的洛仑兹力的作用,在导体内移动的结果。

理解动生电动势的两端位置,关键是要建立三维立体坐标的概念。

同时垂直于磁场和运动方向的两端产生的电动势,为动生电动势

楞次定律

由于磁通量的改变而产生的感应电流,其方向为抗拒磁通量改变的方向。

磁场方向

N 到 S

左手定则

左手定则,是英国电机工程师约翰.安布罗斯.弗莱明(JohnAmbroseFleming,1849~1945)提出的。1885年,弗莱明担任英国伦敦大学电机工程学教授,由于学生经常弄错磁场,电流和受力的方向。于是,他想用一个简单的方法帮助学生记忆。“左手定则”由此诞生了。

左手定则是张开左手,让手心对着磁极N,让磁感线垂直穿过手心,大拇指与其余4指在同一平面垂直,4根手指方向是电流方向,此时大拇指所指的方向就是该通电导体在磁场中的运动方向。发电机就是应用左手定则,还可以研究电导体在磁场中的运动方向。

通变化电流导线周围产生的磁场

给一个导线通入恒定电流,将会在导线周围产生磁场。根据楞次定律和右手定则,磁场方向为红色箭头所指的向左

参考资料