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你是否曾經(jīng)想過電機是如何工作的?你是否曾經(jīng)想過繼電器是如何工作的?這些產(chǎn)品都有一個共同之處,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)計中一個關(guān)鍵因素。本文旨在幫助你認識和理解導(dǎo)體周圍磁場形成的基本概念。本文將不涉及計算部分,因為那屬于進階部分,不過以下示例應(yīng)該對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
通過導(dǎo)電材料的電流產(chǎn)生的磁場,垂直于根據(jù)“右手法則”確定的電流流動的方向。導(dǎo)線的兩種“初級”形狀對應(yīng)著不同的解釋,一種是直線導(dǎo)線,另一種是線圈導(dǎo)線。
直線
下圖是直線導(dǎo)線的直觀示例。
如果你用右手“握住”電線,想象電流朝著拇指方向流動,則磁場會在三維空間中圍繞導(dǎo)線形成;磁場的方向和形狀與其他四根手指在電線周圍卷曲的方式相同。為展示這一效果,我制作了一個簡短的動畫,可幫助你理解:
磁場不僅在特定方向上圍繞在導(dǎo)線周圍,還會從中心“擴展”,強度也逐漸降低。如果在灰色平面處放置一個鐵磁針,則磁場的“北”極將會被吸引到地球的南極。
注意:只要電流流過整根導(dǎo)線,磁場就會在導(dǎo)線周圍蔓延開來。
線圈
線圈是由許多順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的“環(huán)”組成的。環(huán)路在制造電磁鐵時特別有用,因為電流從一個方向流入并從另一個方向流出,進而產(chǎn)生相反方向旋轉(zhuǎn)的磁場。當磁場相互作用時,由于兩個磁場均指向相同的相對方向,因此可以增強中心磁場。為了更好地解釋這一現(xiàn)象,請參見以下示意圖:
注意,磁場箭頭在灰色平面上以相同的相對方向在中心處相交。由于這些磁場非常接近,因此可增加中心合成磁場的強度。這一特性在數(shù)個環(huán)路中表現(xiàn)得更加強大,例如電感、機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。這一次,假設(shè)你握著周圍纏繞著電線的固體材料。圍繞在“棒”周圍的四根手指代表線圈和電流流動的方向。拇指表示北極的位置以及磁場從最接近拇指的一端出來的方向。下圖更加詳細地展示了順時針線圈和逆時針線圈。
藍色線表示線圈彎曲處的較小磁場。注意順時針方向的磁場都是從上到下指向線圈中心的。反之,逆時針線圈的磁場則從下到上指向中心。再次說明,磁場實際上是360度圍繞整個線圈的。它們也向外輻射,但強度會逐漸降低。以下是另一個顯示此特性的動畫:
當電流方向反轉(zhuǎn)時,磁場的極性就會切換:
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。由于交流電流每秒會在正負極間波動60次(美國)或50次(歐洲),因此一側(cè)產(chǎn)生的磁場的極性會不斷變化且強度也在增加/減少。改變的磁場到達另一個線圈時,會“感應(yīng)”出不同電平的電壓(取決于該線圈的匝數(shù))。
機械繼電器
機械繼電器則以非常直接的方式利用磁場的極化。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有圖片顯示線圈的哪一側(cè)應(yīng)通電(對于直流繼電器),因為電流方向是正確致動的關(guān)鍵因素。
電感
電感的一個關(guān)鍵特性是回沖。電感內(nèi)部和周圍產(chǎn)生的磁場會存儲能量,并且在快速斷電的情況下,會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,請參見此貼文:電感特性:為什么朝向不重要。
電機
電機一般(無論交流或直流)都會基于磁場進而運轉(zhuǎn)。在直流有刷電機中,定子(不移動的部件)具有稱為電刷的電連接,可向具有線圈的轉(zhuǎn)子(動的部件)提供電流。由電產(chǎn)生的磁場被內(nèi)部的永磁體排斥,從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。交流電機具有若干種方法,但一般的概念是相同的,即,電能產(chǎn)生的磁場被其他磁體排斥。
審核編輯 黃宇
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