第2章 交流电路基础及应用
2.1 电磁感应及应用
2.1.1 磁场简介
（1）磁场的性质
具有磁性的物体称为磁体。自然界中存在天然磁体和人造磁体两种。我们看见的磁体一般都是人造的，有条形、蹄形、针形等。
磁体两端磁性最强的区域称为磁极。任何磁体都具有两个磁极，即S极（南极）和N极（北极）。
磁极之间具有相互作用力，即同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。如图2-1所示。
图2-1 磁极间的作用力
把磁极之间的相互作用力以及磁体对周围铁磁物质的吸引力通称为磁力。
（2）磁场的方向
在磁体的周围，存在一种特殊的物质形式，我们把它称为磁场，互不接触的磁体之间的相互作用力就是通过磁场这一媒介来传递的。
磁场有方向性。人们规定，在磁场中某一点放一个能自由转动的小磁针，静止时小磁针N极所指的方向为该点的磁场方向。
（3）磁感线
为了形象地描绘磁场，在磁场中画出一系列有方向的假想曲线，使曲线上任意一点的切线方向与该点的磁场方向一致，我们把这些曲线称为磁感线。不同的磁场，磁感线的空间分布是不一样的，常见的磁场的磁感线空间分布如图2-2所示。
图2-2 磁感线
2.1.2 电流与磁场
研究表明，磁体并不是磁场的唯一来源，在通电导体的周围也存在着磁场。有电流就会产生磁场，电流在磁场中会受到安培力的作用。
（1）通电直导线周围的磁场
通电直导线周围磁场的磁感线是以直导线上各点为圆心的一些同心圆，这些同心圆位于与导线垂直的平面上，且距导线越近，磁场越强；电流越大，磁场也越强。
通电直导线的磁场可用右手螺旋定则判定。方法是：用右手的大拇指伸直，四指握住导线，当大拇指指向电流时，其余四指所指的方向就是磁感线的方向，如图2-3所示。
图2-3 判定通电直导线的磁场
（2）通电线圈的磁场
通电线圈（螺线管）产生的磁感线形状与条形铁相似。螺线管内部的磁感线方向与螺线管轴线平行，方向由S极指向N极；外部的磁感线由N极出来进入S极，并与内部磁感线形成闭合曲线。改变电流方向，磁场的极性就对调。
通电线圈的磁场方向仍然用右手螺旋定则判定。方法是：右手的大拇指伸直，用右手握住线圈、四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向便是线圈中磁感线的N极的方向。通常认为通电线圈内部的磁场为匀强磁场，如图2-4所示。
图2-4 判定通电线圈的磁场
（3）环形电流的磁场
环形电流的磁场，其磁感线是一系列围绕环形导线，并且在环形导线的中心轴上的闭合曲线，磁感线和环形导线平面垂直。
环形电流及其磁感线的方向，也可以用安培定则来判定。方法是：右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，则伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴上磁感线的方向，如图2-5所示。
图2-5 判定环形电流的磁场
（4）交变磁场及应用
当线圈通过交流电时，线圈周围将产生交变磁场。利用这个原理可以制作消磁器，用来对需要消磁的物体进行反复磁化，最终达到消磁的目的，如图2-6所示。
图2-6 利用交变磁场消磁
（5）磁屏蔽及应用
在电子设备中，有些部件需要防止外界磁场的干扰。为解决这种问题，就要用铁磁性材料制成一个罩子，把需防干扰的部件罩在里面，使它和外界磁场隔离，也可以把那些辐射干扰磁场的部件罩起来，使它不能干扰别的部件。这种方法称为磁屏蔽。
磁屏蔽可以防止一些高频电子装置受到外界磁场的干扰，也可防止高频电子装置产生的磁场干扰外界通信。磁屏蔽广泛用于电子电路中，如图2-7所示。
图2-7 磁屏蔽在电视机电路中的应用
2.1.3 电磁力及应用
（1）磁场对通电直导线的作用
如图2-8所示，将一通电直导线放入磁场中，当导线未通电时，导线不动；当接通电源，如果电流从B流向A时，导线立刻向外侧运动，说明导线受到了向外的力；如果改变电流方向，则导体向相反方向运动，说明力的方向也改变。可见，通电导体在磁场中会受力而做直线运动，我们把这种力称为电磁力，用F表示。
图2-8 通电导体在磁场中受力
电磁力F的大小与通过导体的电流I成正比，与载流导体所在位置的磁感应强度B成正比，与导体在磁场中的长度L成正比，与导体和磁感线夹角正弦值成正比，即
F=BILsinα
式中 F——导体受到的电磁力，单位为N（牛顿）；
I——导体中的电流，单位为A（安）；
L——导体的长度，单位为m（米）；
sinα——导体与磁感线夹角的正弦。
通电导线在磁场中作用力的方向可用左手定则判定。方法是：伸开左手，使拇指与四指在同一平面内并且互相垂直，让磁感线垂直穿过掌心，四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是通电导体受力的方向，如图2-9所示。
图2-9 左手定则
（2）磁场对矩形线圈的作用
通电矩形线圈在磁场中将受到转矩的作用而转动。线圈的转动方向用左手定则判定，其受力分析如图2-10所示。
图2-10 通电线圈在磁场中的受力
线圈所受的转矩M与线圈所在的磁感应强度B成正比，与线圈中流过的电流I成正比，与线圈的面积S成正比，与线圈平面与磁感线夹角α的余弦成正比，即
M=BIScosα
2.1.4 电磁感应
（1）感应电流的产生
在一定条件下，利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象。当磁场和导体（线圈）发生相对运动时，获得的电流称为感应电流；形成感应电流的电动势称为感应电动势。利用磁场获得感应电流的方法有以下4种，如图2-11所示。
图2-11 产生感应电流的实验
从上述实验可得出结论，只要闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，或穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中就有感应电流产生。
（2）感应电流方向的判定
在电磁感应现象中，感应电流的方向取决于产生感应电流的条件。
如果是闭合电路一部分的导体在磁场中做切割磁感线运动而产生的感应电流时，可用右手定则来判定。方法是：伸开右手，使拇指和其余四指垂直，且在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，大拇指指向导线运动的方向，则其余四指所指着的方向就是感应电流的方向，如图2-12所示。
图2-12 右手定则
（3）电磁感应原理的应用
电磁感应原理是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系。依据电磁感应原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产成为可能，与此同时，电磁感应现象还广泛应用在电工技术、电子技术以及电磁测量等领域，由此，人类社会迈进了电气化时代。生活中有很多东西都是利用电磁感应原理制成的。
①磁悬浮列车 如图2-13所示，在磁悬浮列车的底部安装超导磁体，在轨道的两旁则铺设有一系列的闭合铝环，当列车运行起来时，由于超导磁体产生的磁场相对于铝环有运动，根据电磁感应原理，在铝环内就会产生感应电流，而超导体和感应电流之间会有相互作用，产生向上的排斥力。当排斥力大于列车的自身重力时，列车就会悬浮起来（离地上的轨道平面约1cm）。当列车减速时，随着磁场的减小，相应的排斥力也变小，因此，悬浮列车也要配车轮，但它的车轮像飞机一样在高速运行时可以及时地收起来。当悬浮列车悬浮起来以后，由于没有了车轮和它的轨道之间的摩擦力，只需不大的牵引力功率就可以让列车达到500km/h的速度。与现有的列车相比，磁悬浮列车有高速、安全（无翻车或脱轨危险）、噪声低（约60dB）和占地小等优点，是理想的交通工具。
图2-13 磁悬浮列车原理图
②动圈式话筒 如图2-14所示是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定。这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
图2-14 动圈式话筒原理图
③磁卡 磁卡是在PVC材料表面附加上磁条，它的基本原理与录音机的磁带一样，是利用磁化来改变磁条磁性的强弱，从而记录和修改信息的。读卡时，当磁卡以一定的速度通过装有线圈的工作磁头时，线圈会切割磁卡外部的磁感线，在线圈中产生感应电流，从而传输了被记录的信号。它的应用非常广泛，如：银行卡，公交IC卡。
④电磁炉 电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电烹饪器具。如图2-15所示，使用时，线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。在加热过程中没有明火，因此安全、卫生。
图2-15 电磁炉原理图
电磁炉产生的交变磁场，不但会产生涡流热效应，而且会促使金属锅体的分子运动并互相碰撞，造成分子间的摩擦生热，这两种热效应是直接发生在锅体本身，其热能的损耗很小。由于电磁炉的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以电磁炉的热效率可达80％，约比煤气灶高1倍，而且加热均匀，烹调迅速，节省电能。