問(wèn)：電磁基礎(chǔ)淺談

你是否曾經(jīng)想過(guò)電機(jī)是如何工作的？你是否曾經(jīng)想過(guò)繼電器是如何工作的？這些產(chǎn)品都有一個(gè)共同之處，就是都采用了電磁技術(shù)。

在許多應(yīng)用中，電磁是電氣設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵因素。本文旨在幫助你認(rèn)識(shí)和理解導(dǎo)體周?chē)艌?chǎng)形成的基本概念。本文將不涉及計(jì)算部分，因?yàn)槟菍儆谶M(jìn)階部分，不過(guò)以下示例應(yīng)該對(duì)你從頭理解并正確使用電磁技術(shù)有所幫助。

電磁技術(shù)的基本概念

電磁

通過(guò)導(dǎo)電材料的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，垂直于根據(jù)“右手法則”確定的電流流動(dòng)的方向。導(dǎo)線的兩種“初級(jí)”形狀對(duì)應(yīng)著不同的解釋?zhuān)环N是直線導(dǎo)線，另一種是線圈導(dǎo)線。

直線

如果你用右手“握住”電線，想象電流朝著拇指方向流動(dòng)，則磁場(chǎng)會(huì)在三維空間中圍繞導(dǎo)線形成；磁場(chǎng)的方向和形狀與其他四根手指在電線周?chē)砬姆绞较嗤?。為展示這一效果，我制作了一個(gè)簡(jiǎn)短的動(dòng)畫(huà)，可幫助你理解：

磁場(chǎng)不僅在特定方向上圍繞在導(dǎo)線周?chē)?，還會(huì)從中心“擴(kuò)展”，強(qiáng)度也逐漸降低。如果在灰色平面處放置一個(gè)鐵磁針，則磁場(chǎng)的“北”極將會(huì)被吸引到地球的南極。

注意：只要電流流過(guò)整根導(dǎo)線，磁場(chǎng)就會(huì)在導(dǎo)線周?chē)娱_(kāi)來(lái)。

線圈

線圈是由許多順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的“環(huán)”組成的。環(huán)路在制造電磁鐵時(shí)特別有用，因?yàn)殡娏鲝囊粋€(gè)方向流入并從另一個(gè)方向流出，進(jìn)而產(chǎn)生相反方向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)相互作用時(shí)，由于兩個(gè)磁場(chǎng)均指向相同的相對(duì)方向，因此可以增強(qiáng)中心磁場(chǎng)。為了更好地解釋這一現(xiàn)象，請(qǐng)參見(jiàn)以下示意圖：

注意，磁場(chǎng)箭頭在灰色平面上以相同的相對(duì)方向在中心處相交。由于這些磁場(chǎng)非常接近，因此可增加中心合成磁場(chǎng)的強(qiáng)度。這一特性在數(shù)個(gè)環(huán)路中表現(xiàn)得更加強(qiáng)大，例如電感、機(jī)械繼電器和變壓器等技術(shù)中使用的線圈。

下圖是線圈的直觀示例。

繞線通常纏繞在具有高磁導(dǎo)性的鐵磁芯或材料上。這一個(gè)，假設(shè)你握著周?chē)p繞著電線的固體材料。圍繞在“棒”周?chē)乃母种复砭€圈和電流流動(dòng)的方向。拇指表示北極的位置以及磁場(chǎng)從很接近拇指的一端出來(lái)的方向。下圖更加詳細(xì)地展示了順時(shí)針線圈和逆時(shí)針線圈。

藍(lán)色線表示線圈彎曲處的較小磁場(chǎng)。注意順時(shí)針?lè)较虻拇艌?chǎng)都是從上到下指向線圈中心的。反之，逆時(shí)針線圈的磁場(chǎng)則從下到上指向中心。再次說(shuō)明，磁場(chǎng)實(shí)際上是360度圍繞整個(gè)線圈的。它們也向外輻射，但強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。以下是另一個(gè)顯示此特性的動(dòng)畫(huà)：

當(dāng)電流方向反轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)的極性就會(huì)切換：

電磁技術(shù)示例

以下是四種涉及電磁的技術(shù)示例。

變壓器

變壓器會(huì)使用不同數(shù)量環(huán)（匝數(shù)比）的組合以及一側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。由于交流電流每秒會(huì)在正負(fù)極間波動(dòng)60次（美國(guó)）或50次（歐洲），因此一側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性會(huì)不斷變化且強(qiáng)度也在增加/減少。改變的磁場(chǎng)到達(dá)另一個(gè)線圈時(shí)，會(huì)“感應(yīng)”出不同電平的電壓（取決于該線圈的匝數(shù)）。

機(jī)械繼電器

機(jī)械繼電器則以非常直接的方式利用磁場(chǎng)的極化。由于線圈的北極具有確定的方向（根據(jù)電流方向和繞組方向），因此這種磁場(chǎng)可用于下拉通常能導(dǎo)通更大電流（比線圈大得多）的鐵磁連接頭（加載到線圈的電流和跨連接頭的電流是隔離的）。這就是為什么幾乎總會(huì)有圖片顯示線圈的哪一側(cè)應(yīng)通電（對(duì)于直流繼電器），因?yàn)殡娏鞣较蚴钦_致動(dòng)的關(guān)鍵因素。

電感

電感的一個(gè)關(guān)鍵特性是回沖。電感內(nèi)部和周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)存儲(chǔ)能量，并且在快速斷電的情況下，會(huì)在連接的電路上以非常高的電壓釋放能量。如需了解更多詳情，請(qǐng)參見(jiàn)此貼文：電感特性：為什么朝向不重要。

電機(jī)

電機(jī)一般（無(wú)論交流或直流）都會(huì)基于磁場(chǎng)進(jìn)而運(yùn)轉(zhuǎn)。在直流有刷電機(jī)中，定子（不移動(dòng)的部件）具有稱(chēng)為電刷的電連接，可向具有線圈的轉(zhuǎn)子（動(dòng)的部件）提供電流。由電產(chǎn)生的磁場(chǎng)被內(nèi)部的永磁體排斥，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。交流電機(jī)具有若干種方法，但一般的概念是相同的，即，電能產(chǎn)生的磁場(chǎng)被其他磁體排斥。