鶴壁西門子S7-300模塊代理商

時(shí)間：2023-04-21作者：潯之漫智控技術(shù)（上海）有限公司瀏覽：33

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與磁猶如一對(duì)如膠似漆的情侶，它們密不可分、相互交融?？梢哉f，沒有磁，就沒有現(xiàn)代的電工技術(shù)的發(fā)展，所以，電的學(xué)習(xí)離不開磁的學(xué)習(xí)。在上一次的學(xué)習(xí)分享中，我們主要是學(xué)習(xí)了磁的一些概念與物理量。在理解了磁是什么是前提下，我們這次接著來學(xué)習(xí)結(jié)合電與磁的一些基礎(chǔ)知識(shí)。

在《電工基礎(chǔ)》的課程中，曹老師結(jié)合各種實(shí)例、理論與習(xí)題，詳細(xì)地講解了電磁感應(yīng)的很多知識(shí)，旨在讓學(xué)員們較好地理解電與磁之間的相互關(guān)系。這里，我就順著曹老師的思路，和大家一起一一進(jìn)行學(xué)習(xí)吧。




電產(chǎn)生的形式有很多，但我們較為熟悉的就是摩擦起電和電磁感應(yīng)，摩擦起電所產(chǎn)生的的多不過在轉(zhuǎn)瞬之間，而通過電磁感應(yīng)生產(chǎn)電能才是現(xiàn)代的主流。1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)使電磁學(xué)的研究從電磁分離躍至電磁相互聯(lián)系的研究階段，然后1831年，法拉*發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律。電磁感應(yīng)，簡(jiǎn)單來說就是電生磁或磁生電的現(xiàn)象，靜止電荷的周圍存在著靜電場(chǎng)，而運(yùn)動(dòng)電荷的周圍不僅存在著電場(chǎng)，同時(shí)還存在磁場(chǎng)。

從奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁的相關(guān)聯(lián)后，法國(guó)物理學(xué)家們相繼發(fā)現(xiàn)：載流導(dǎo)線附近的磁場(chǎng)與電流I的流向服從右手螺旋法則，又稱安培定則，即用右手握住直導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，四指彎曲的方向就是磁場(chǎng)方向；而對(duì)圓電流，例如通電螺線管，則大拇指指向磁場(chǎng)方向，四指的彎曲方向表示電流方向。圖18-1分別示出了載流導(dǎo)線和載流螺線管的磁場(chǎng)和電流的方向關(guān)系。







圖18-1

從上次的學(xué)習(xí)分享中，我們知道了磁較之間同較相斥，異較相吸，同理，根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，兩根載流導(dǎo)線之間或兩個(gè)通電螺線管之間也會(huì)有力的作用。右手螺旋定則與右手定則不同，右手定則是用于判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，而右手螺旋定則是用于判斷磁場(chǎng)的方向，兩者是有本質(zhì)上的差別的。

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結(jié)合上次所學(xué)的磁知識(shí)，從圖18-1中我們也可以發(fā)現(xiàn)，磁感線是閉合曲線，它們不會(huì)相交，因?yàn)榇艌?chǎng)中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是確定的，如果相交，顯然和只有一個(gè)方向這個(gè)性質(zhì)相矛盾。通電螺線管所激發(fā)的磁場(chǎng)顯然和條形磁鐵的磁場(chǎng)相似，所以我們可以很快得出結(jié)論，線圈兩端磁較處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，其方向是在線圈內(nèi)部從南極指向北極，然后從北極出來，經(jīng)線圈外部沿一定路徑回到南極。大家如果感興趣，也可以自己做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，自制一個(gè)小線圈，然后在其周圍放置一根小磁針，通電后觀察磁針的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如圖18-2所示；或者在線圈周圍撒上一下鐵粉，然后觀察鐵粉的分布。







圖18-2

其實(shí)，法國(guó)物理學(xué)家安培也是發(fā)現(xiàn)放在磁鐵附近的載流導(dǎo)線會(huì)受到作用力而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，載流導(dǎo)線之間也有相互作用力，并總結(jié)出兩電流之間的作用力和兩磁鐵之間的作用力遵從相似的規(guī)律，如圖18-3所示。

圖18-3

1831年法拉*發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其基本規(guī)律，揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系。他通過實(shí)驗(yàn)：將電流計(jì)與*圈接成回路，讓條形磁鐵迅速在線圈中插拔，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)會(huì)偏轉(zhuǎn)，且“插”和“拔”兩種情況下偏轉(zhuǎn)方向相反，磁鐵靜止在線圈中電流計(jì)不偏轉(zhuǎn)。這說明感應(yīng)電流的產(chǎn)生與線圈回路中的磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間的變化有關(guān)，如圖18-4中左邊所示。又如圖18-4中右邊所示，均勻不變的磁場(chǎng)中放置一正交磁感線的導(dǎo)體框，當(dāng)導(dǎo)體l左右滑動(dòng)時(shí)，接在回路上的電流計(jì)也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)磁鐵間的磁沒有發(fā)生變化，但由于回路所包圍的面積發(fā)生變化，使通過導(dǎo)體框內(nèi)的磁通量發(fā)生變化。綜上表明：只要與導(dǎo)線或線圈交鏈的磁通發(fā)生變化（包括、大小的變化），就會(huì)在導(dǎo)線或線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)所感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與外電路相連，形成閉合回路時(shí)，回路中就有電流通過。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。




圖18-4




這種由磁通量變化所引起的電動(dòng)勢(shì)，稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電流只有導(dǎo)線或線圈與外電路形成閉合回路時(shí)才會(huì)存在，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不管回路是否閉合，它都存在。

顯然，如果導(dǎo)線在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)線長(zhǎng)度l及導(dǎo)線切割磁感線的速度v有關(guān)，其大小為E=Blv,如下圖18-5所示。




圖18-5




圖18-5所示的公式，前提是在均勻磁場(chǎng)B中，導(dǎo)體ab以速度v沿垂直于B的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與B方向不垂直時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=Blvsinθ，其中θ是磁力線與速度方向的夾角。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用右手定則判定，即伸開右手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從手心進(jìn)入，并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)四指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。

1845年德國(guó)物理學(xué)家紐曼在法拉*工作的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了法拉*電磁感應(yīng)定律的定量表達(dá)式，它可以表示為：當(dāng)與導(dǎo)線回路交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)線將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與穿過該回路的磁通量φ對(duì)時(shí)間的變化率dφ/dt成正比，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為e=-Δφ/Δt。該式只適用于單匝線圈組成的回路。

產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的閉合回路必然會(huì)流過感應(yīng)電流，其方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向一致，這個(gè)方向可以根據(jù)楞次定律進(jìn)行判斷，即閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使得它自身所產(chǎn)生的磁通來阻礙閉合回路中原磁通（引起感應(yīng)電流的磁通量）的變化。簡(jiǎn)單來說就是增反減同，即如果原磁通是增大狀態(tài)，那么感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通與原磁通的方向相反；如果原磁通是減小狀態(tài)，那么感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通與原磁通的方向相同。




圖18-6




圖18-6所示是結(jié)合法拉*電磁感應(yīng)定律與楞次定律所得出的各種磁通變化引起回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流的方向。例如左邊的圖中，磁鐵向上移動(dòng)，原磁通向上并在線圈中呈增大趨勢(shì)，即此時(shí)磁通變化率大于零，根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律的公式，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，線圈中感應(yīng)電生的磁通與原磁通方向相反向下。

上文提到，公式e=-Δφ/Δt適用于單匝線圈回路。如果線圈有N匝，而且磁通全部穿過N匝線圈，則與線圈相交鏈的總磁通為Nφ，稱為磁鏈，用符號(hào)Ψ表示，單位還是Wb（韋伯），此時(shí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e=-ΔNφ/Δt=-NΔφ/Δt。簡(jiǎn)單理解就是增加多少匝線圈，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就增大多少倍，這是因?yàn)橐辉丫€圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e，N匝線圈就有N個(gè)e疊加。

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