電磁學(xué)

在磁學(xué)教程中，我們簡要地了解了永磁體如何在其周圍從北極到南極產(chǎn)生磁場。

電磁力是所有其他力的基本力，這些力控制著原子和分子之間的相互作用，產(chǎn)生我們所知的電荷。

雖然永磁體產(chǎn)生了一個良好且有時非常強的靜態(tài)磁場，但在某些應(yīng)用中，這種磁場的強度仍然太弱，或者我們需要能夠控制存在的磁通量。因此，為了產(chǎn)生更強且更可控的磁場，我們需要使用電力。

通過使用繞在軟磁性材料（如鐵芯）上的線圈，我們可以產(chǎn)生非常強的電磁鐵，用于許多不同類型的電氣應(yīng)用。這種使用線圈的方式在電和磁之間產(chǎn)生了一種關(guān)系，這給了我們另一種形式的磁學(xué)，稱為電磁學(xué)。

當(dāng)電流通過簡單導(dǎo)體（如一段電線或電纜）時，會產(chǎn)生電磁學(xué)，隨著電流通過整個導(dǎo)體，沿著整個導(dǎo)體會產(chǎn)生一個磁場。在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的小磁場有一個明確的方向，產(chǎn)生的“北極”和“南極”由通過導(dǎo)體的電流方向決定。

因此，有必要建立通過導(dǎo)體的電流與由此產(chǎn)生的圍繞它的磁場之間的關(guān)系，使我們能夠以電磁學(xué)的形式定義電和磁之間的關(guān)系。

我們已經(jīng)確定，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，會在其周圍產(chǎn)生一個圓形電磁場，磁力線形成不交叉的完整環(huán)，圍繞整個導(dǎo)體的長度。

這個磁場的旋轉(zhuǎn)方向由通過導(dǎo)體的電流方向決定，產(chǎn)生的相應(yīng)磁場在載流導(dǎo)體的中心附近更強。這是因為環(huán)的路徑長度離導(dǎo)體越遠，磁力線越弱，如下圖所示。

導(dǎo)體周圍的磁場

導(dǎo)體周圍的磁場

木螺釘動作

確定導(dǎo)體周圍磁場方向的一個簡單方法是考慮將普通木螺釘擰入一張紙中。當(dāng)木螺釘進入紙張時，旋轉(zhuǎn)動作是順時針的，因此在紙張上方可見的唯一部分是螺釘頭。

如果木螺釘是pozidriv或philips類型的頭設(shè)計，十字頭將可見。這個十字頭用于指示電流“流入”紙張并遠離觀察者的方向

同樣，取出螺釘?shù)膭幼魇窍喾吹?，逆時針或反時針。當(dāng)電流從頂部進入時，它因此離開紙張的下面。從下面可見的木螺釘?shù)奈ㄒ徊糠质锹葆數(shù)募舛嘶螯c。這個點用于指示電流“流出”紙張并朝向觀察者。

然后，將木螺釘擰入和擰出紙張的物理動作指示了導(dǎo)體中常規(guī)電流流動的方向，因此，圍繞它的電磁場的旋轉(zhuǎn)方向如下圖所示。這個概念通常被稱為右手螺旋動作。

右手螺旋動作

電磁學(xué)右手螺旋動作

磁場通常意味著兩極的存在。一個被稱為北極，另一個被稱為南極。載流導(dǎo)體的極性可以通過繪制大寫字母S和N來建立。如上圖所示，在字母的自由端添加箭頭將給出相應(yīng)磁場方向的視覺表示。

另一個更熟悉的概念，它確定了電流流動的方向和圍繞導(dǎo)體的磁通量的結(jié)果方向，被稱為“左手定則”。

電磁學(xué)左手定則

電磁學(xué)的左手定則

磁場的公認(rèn)方向是從其北極到南極。這個方向可以通過將載流導(dǎo)體握在左手中，拇指伸展指向電子流動的方向（從負(fù)到正）來推斷。

手指橫跨和圍繞導(dǎo)體的位置現(xiàn)在將指向生成的磁力線的方向，如圖所示。

如果通過導(dǎo)體的電子流動方向反轉(zhuǎn)，左手需要放在導(dǎo)體的另一側(cè)，拇指指向電子電流流動的新方向。

同樣，當(dāng)電流反轉(zhuǎn)時，圍繞導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場方向也會反轉(zhuǎn)，因為正如我們之前所說，磁場的方向取決于電流流動的方向。

這個“左手定則”也可以用于確定電磁線圈中磁極的磁方向。這次，手指指向電子流動的方向（從負(fù)到正），而伸展的拇指指示北極的方向。這個規(guī)則有一個變體，稱為“右手定則”，它基于所謂的常規(guī)電流流動（正到負(fù)）。

考慮當(dāng)一根直導(dǎo)線彎曲成單個環(huán)的形式時，如下圖所示。雖然電流通過整個導(dǎo)線導(dǎo)體的長度在同一方向上流動，但它將通過紙張在相反方向上流動。這是因為電流在紙張的一側(cè)離開并在另一側(cè)進入，因此在紙張上產(chǎn)生一個順時針場和一個逆時針場。

這兩個導(dǎo)體之間的空間成為一個“強化”的磁場，力線以這樣一種方式展開，它們呈現(xiàn)出條形磁鐵的形式，在交叉點產(chǎn)生一個獨特的北極和南極。

環(huán)周圍的電磁學(xué)

環(huán)周圍的電磁場

環(huán)周圍的力線

環(huán)周圍的力線

通過環(huán)的兩個平行導(dǎo)體的電流方向相反，因為通過環(huán)的電流從左側(cè)退出并從右側(cè)返回。這導(dǎo)致環(huán)內(nèi)每個導(dǎo)體周圍的磁場彼此“相同”。

通過環(huán)流動的電流產(chǎn)生的力線在兩個導(dǎo)體之間的空間中相互對立，其中兩個相同的極相遇，從而變形每個導(dǎo)體周圍的力線，如圖所示。

然而，兩個導(dǎo)體之間磁通量的變形導(dǎo)致在中間連接處的磁場強度增加，力線變得更緊密。這兩個相同場之間的相互作用在兩個導(dǎo)體之間產(chǎn)生了一個機械力，因為它們試圖相互排斥。在電機中，這兩個磁場的排斥產(chǎn)生運動。

然而，由于導(dǎo)體不能移動，因此這兩個磁場通過在相互作用線上生成一個北極和一個南極來相互幫助。這導(dǎo)致磁場在兩個導(dǎo)體之間的中間最強。導(dǎo)體周圍的磁場強度與導(dǎo)體的距離和通過它的電流量成正比。

即使有高電流通過，圍繞一段直載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場也非常弱。然而，如果幾圈導(dǎo)線沿著同一軸繞在一起形成一個線圈，產(chǎn)生的磁場將比單個環(huán)更集中和更強。這產(chǎn)生了一個更常見的電磁線圈，稱為螺線管。

然后，當(dāng)電流通過時，每一段導(dǎo)線都會在其周圍產(chǎn)生電磁效應(yīng)。磁場的方向取決于電流流動的方向。我們可以通過將導(dǎo)線繞成線圈來增加產(chǎn)生的磁場強度，我們將在下一個教程中更詳細(xì)地了解這種效應(yīng)。