電磁力研究報告

研究報告電磁鐵劉泉宏

目錄1.電磁力的本質(zhì)是什么…………….12.電磁鐵………………..33.電磁轉(zhuǎn)矩………..…….94.電磁感應(yīng)定律……………115.電流磁效應(yīng)………….12兩塊磁鐵之間靠磁力傳遞互相作用，磁力屬于電磁力，電磁力的媒介粒子是光子。因此，兩塊磁鐵之間的磁力是靠光子傳遞的，更精確來說是虛光子。在典型場論中，兩塊磁鐵即使沒有直接接觸，但是磁鐵周邊存在磁場，它們之間是直接靠電磁場進(jìn)行互相作用的。電磁場擁有能量、質(zhì)量和動量。在量子場論中，科學(xué)家們認(rèn)為電磁力是由虛光子的交換產(chǎn)生的。那什么是虛光子？根據(jù)量子力學(xué)的表述，真空并不是虛無的，整個空間中充滿了能量漲落。由于真空中無時無刻不在產(chǎn)生虛粒子對，虛粒子僅存在很短的時間就會發(fā)生湮滅，而真空中的能量漲落就是由此產(chǎn)生的。真空中存在的這種由量子效應(yīng)產(chǎn)生的能量被稱之為真空零點能。虛粒子是不能夠被觀察到，但它事實上是存在的，并且能夠產(chǎn)生某些物理效應(yīng)。受真空中的量子漲落影響，兩個處在真空中的平行電容板之間就存在互相吸引力，這被稱之為卡西米爾效應(yīng)。實驗測算，在10納米的間隙上，卡西米爾效應(yīng)大概能產(chǎn)生一種原則大氣壓的壓力。電磁場源于電荷，在電荷的激發(fā)下就會產(chǎn)生虛光子，虛光子是不能夠被直接觀察到的光子。虛光子含有能量和動量，電磁力本質(zhì)上就是虛光子的交換。通過虛光子的交換，能量及動量也就發(fā)生了轉(zhuǎn)移。宇宙空間中充滿了電磁場，電磁波就是在電磁場中傳輸?shù)牟▌幽芰?。光本身就是電磁波，光含有波粒二象性，因此電磁波也能夠?dāng)作光子，但是這里是實光子，而不是虛光子。前面已經(jīng)說過了，虛粒子存在的時間極短，是不能夠被觀察到的，虛光子也是虛粒子，因此虛光子也是不能夠被觀察到的。另外，即使是實光子，人眼也只能看見可見光波段，余下的波段都是人肉眼不可見的。除了電磁力，自然界中的其它三種力也是靠交換粒子產(chǎn)生的在自然界中一共存在4種基本力，它們是：電磁力、強(qiáng)核力、弱核力、引力。在規(guī)范場論的原則模型中，電磁力是靠光子傳遞的；強(qiáng)核力則是依靠膠子傳遞的；弱核力是靠W及Z玻色子傳遞的；引力理論上是靠引力子傳遞的。根據(jù)理論，這4種基本力產(chǎn)生于同一機(jī)制，后來逐步分化?，F(xiàn)在電磁力和弱核力已經(jīng)完美的統(tǒng)一了，強(qiáng)核力也已經(jīng)納入了統(tǒng)一的框架，就只剩余引力了。將來終究走向何方，尚未可知。電磁力屬于第2強(qiáng)的力（最強(qiáng)的是強(qiáng)核力），和引力同樣同屬于長程力。它是日常生活中最常見的，也是我們研究的最透徹的一種基本力。例如摩擦力、彈力、分子力等，它們本質(zhì)上都屬于電磁力。強(qiáng)核力和弱核力，聽名字就懂得了，它們的作用效果僅局限于原子核內(nèi)，出了原子核基本上就沒它倆的事了。電磁鐵是通電產(chǎn)生電磁的一種裝置。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導(dǎo)電繞組，這種通有電流的線圈像磁鐵同樣含有磁性，它也叫做電磁鐵（electromagnet）。我們普通把它制成條形或蹄形狀，以使鐵芯更加容易磁化。另外，為了使電磁鐵斷電立刻消磁，我們往往采用消磁較快的的軟鐵或硅鋼材料來制做。這樣的電磁鐵在通電時有磁性，斷電后磁就隨之消失。電磁鐵在我們的日常生活中有著極其廣泛的應(yīng)用，由于它的發(fā)明也使發(fā)電機(jī)的功率得到了很大的提高。原理當(dāng)在通電螺線管內(nèi)部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管的磁場磁化。磁化后的鐵芯也變成了一種磁體，這樣由于兩個磁場互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。為了使電磁鐵的磁性更強(qiáng)，普通將鐵芯制成蹄形。但要注意蹄形鐵芯上線圈的繞向相反，一邊順時針，另一邊必須逆時針。如果繞向相似，兩線圈對鐵芯的磁化作用將互相抵消，使鐵芯不顯磁性。另外，電磁鐵的鐵芯用軟鐵制做，而不能用鋼制做。否則鋼一旦被磁化后，將長久保持磁性而不能退磁，則其磁性的強(qiáng)弱就不能用電流的大小來控制，而失去電磁鐵應(yīng)有的優(yōu)點。電磁鐵是能夠通電流來產(chǎn)生磁力的器件，屬非永久磁鐵，能夠很容易地將其磁性啟動或是消除。例如：大型起重機(jī)運用電磁鐵將廢棄車輛抬起。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，會在導(dǎo)線的周邊產(chǎn)生磁場。應(yīng)用這性質(zhì)，將電流通過螺線管時，則會在螺線管之內(nèi)制成均勻磁場。假設(shè)在螺線管的中心置入鐵磁性物質(zhì)，則此鐵磁性物質(zhì)會被磁化，并且會大大增強(qiáng)磁場。普通而言，電磁鐵所產(chǎn)生的磁場與電流大小、線圈圈數(shù)及中心的鐵磁體有關(guān)。在設(shè)計電磁鐵時，會重視線圈的分布和鐵磁體的選擇，并運用電流大小來控制磁場。由于線圈的材料含有電阻，這限制了電磁鐵所能產(chǎn)生的磁場大小，但隨著超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，將有機(jī)會超越現(xiàn)有的限制。分類編輯按電流分1.交流電磁鐵2.直流電磁鐵按用途分1.制動電磁鐵：在電氣傳動裝置中用作電動機(jī)的機(jī)械制動，以達(dá)成精確快速停車的目的，常見的型號有MZD1(單相），MZS1（三相）系列。2.起重電磁鐵：用作起重裝置來吊運鋼材，鐵砂等導(dǎo)磁材料，或用作電磁機(jī)械手夾持鋼鐵等導(dǎo)磁材料。3.閥用電磁鐵：運用磁力推動磁閥，從而達(dá)成閥口啟動，關(guān)閉或換向的目的。4.牽引電磁鐵：重要用牽引機(jī)械裝置以執(zhí)行自動控制任務(wù)。方向判斷電磁鐵的磁場方向能夠用安培定則來判斷。

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安培定則是表達(dá)電流和電流激發(fā)磁場的磁感線方向間關(guān)系的定則，也叫右手螺旋定則。（1）通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流方向，四指指向通電直導(dǎo)線周邊磁力線方向。（2）通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。優(yōu)點電磁鐵有許多優(yōu)點：電磁鐵的磁性有無能夠用通、斷電流控制；磁性的大小能夠用電流的強(qiáng)弱或線圈的匝數(shù)多少來控制；也可通過變化電阻控制電流大小來控制磁性大??；它的磁極能夠由變化電流的方向來控制，等等。即：磁性的強(qiáng)弱能夠變化、磁性的有無能夠控制、磁極的方向能夠變化，磁性可因電流的消失而消失。電磁鐵是電流磁效應(yīng)（電生磁）的一種應(yīng)用，與生活聯(lián)系緊密，如電磁繼電器、電磁起重機(jī)、磁懸浮列車、電子門鎖、智能通道匝、電磁流量計等。分類編輯電磁鐵能夠分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類型。如果按照用途來劃分電磁鐵，重要可分成下列五種：（1）牽引電磁鐵──重要用來牽引機(jī)械裝置、啟動或關(guān)閉多個閥門，以執(zhí)行自動控制任務(wù)。（2）起重電磁鐵──用作起重裝置來吊運鋼錠、鋼材、鐵砂等鐵磁性材料。（3）制動電磁鐵──重要用于對電動機(jī)進(jìn)行制動以達(dá)成精確停車的目的。（4）自動電器的電磁系統(tǒng)──如電磁繼電器和接觸器的電磁系統(tǒng)、自動開關(guān)的電磁脫扣器及操作電磁鐵等。（5）其它用途的電磁鐵──如磨床的電磁吸盤以及電磁振動器等。歷史早在18春天，丹麥的奧斯特在一次偶然之中就發(fā)現(xiàn)了這一原理。18，法國物理學(xué)家阿拉戈和呂薩克才發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過其中有鐵塊的繞線時，它能使繞線中的鐵塊磁化。這事實上是電磁鐵原理的最初發(fā)現(xiàn)。18，斯特金也做了一次類似的實驗：他在一根并非是磁鐵棒的U型鐵棒上繞了18圈銅裸線，當(dāng)銅線與伏打電池接通時，繞在U型鐵棒上的銅線圈即產(chǎn)生了密集的磁場，這樣就使U型鐵棒變成了一塊“電磁鐵”。這種電磁鐵上的磁能要比永磁能放大多倍，它能吸起比它重20倍的鐵塊，而當(dāng)電源切斷后，U型鐵棒就什么鐵塊也吸不住，重新成為一根普通的鐵棒。斯特金的電磁鐵發(fā)明，使人們看到了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的光明前景，這一發(fā)明很快在英國、美國以及西歐某些沿海國家傳輸開來。1829年，美國電學(xué)家亨利對斯特金電磁鐵裝置進(jìn)行了某些革新，用磁電絕緣導(dǎo)線替代裸銅導(dǎo)線，因此不必緊張被銅導(dǎo)線過分靠近而短路。由于導(dǎo)線有了絕緣層，就能夠?qū)⑺鼈円蝗θΦ鼐o緊地繞在一起，由于線圈越密集，產(chǎn)生的磁場就越強(qiáng)，這樣就大大提高了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。到了1831年，亨利試制出了一塊更新的電磁鐵，即使它的體積并不大，但它能吸起1噸重的鐵塊。在奧斯特電流磁效應(yīng)實驗及其它一系列實驗的啟發(fā)下，安培認(rèn)識到磁現(xiàn)象的本質(zhì)是電流，把涉及電流、磁體的多個互相作用歸結(jié)為電流之間的互相作用，提出了尋找電流元互相作用規(guī)律的基本問題。為了克服孤立電流元無法直接測量的困難，安培精心設(shè)計了4個示零實驗并伴以縝密的理論分析，得出了成果。但由于安培對電磁作用持超距作用觀念，曾在理論分析中強(qiáng)加了兩電流元之間作用力沿連線的假設(shè)，盼望恪守牛頓第三定律，使結(jié)論有誤。上述公式是拋棄錯誤的作用力沿連線的假設(shè)，經(jīng)修正后的成果。應(yīng)按近距作用觀點理解為，電流元產(chǎn)生磁場，磁場對其中的另一電流元施以作用力。性質(zhì)直線電流的安培定則對一小段直線電流也合用。環(huán)形電流可當(dāng)作許多小段直線電流構(gòu)成，對每一小段直線電流用直線電流的安培定則鑒定出環(huán)形電流中心軸線上磁感強(qiáng)度的方向。疊加起來就得到環(huán)形電流中心軸線上磁感線的方向。直線電流的安培定則是基本的，環(huán)形電流的安培定則可由直線電流的安培定則導(dǎo)出直線電流的安培定則對電荷作直線運動產(chǎn)生的磁場也合用，這時電流方向與正電荷運動方向相似，與負(fù)電荷運動方向相反。意義安培定律與庫侖定律相稱，是磁作用的基本實驗定律，它決定了磁場的性質(zhì)，提供了計算電流互相作用的途徑。注意電磁鐵：運用電流的磁效應(yīng)，使軟鐵(電磁鐵線圈內(nèi)部芯軸,可快速充磁與消磁)含有磁性的裝置。（1）將軟鐵棒插入一螺線形線圈內(nèi)部，則當(dāng)線圈通有電流時，線圈內(nèi)部的磁場使軟鐵棒磁化成臨時磁鐵，但電流切斷時，則線圈及軟鐵棒的磁性隨著消失。（2）軟鐵棒磁化后所生成的磁場，加上原有線圈內(nèi)的磁場，使得總磁場強(qiáng)度大為增強(qiáng)，故電磁鐵的磁力不不大于天然磁鐵。（3）螺線形線圈的電流愈大，線圈圈數(shù)愈多，電磁鐵的磁場愈強(qiáng)。電磁鐵的應(yīng)用（1）起重機(jī)：為工業(yè)用的強(qiáng)力電磁鐵，通上大電流，可用以吊運鋼板、貨柜、廢鐵等。（2）電話：下一節(jié)介紹。（3）安培計、伏特計、檢流計（4）電鈴等等。（5）自動化控制設(shè)備（6）工業(yè)自動化控制、辦公自動化。（7）包裝機(jī)械、醫(yī)療器械、食品機(jī)械、紡織機(jī)械等。（8）電磁繼電器（9）磁懸浮列車制作原理1.圓形線圈通往電流形成的磁場（1）線圈中心處的磁場方向可將線圈上某一小段導(dǎo)線視為直線，由安培右手定則鑒定之。（2）通有電流的圓形線圈上每一小段電流所產(chǎn)生的磁場，在線圈內(nèi)都指向同一方向，故線圈內(nèi)的磁場較直導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度大。（3）圓形導(dǎo)線通入電流時，線圈外的磁場因各小段電流產(chǎn)生磁場的方向不一致，因此產(chǎn)生的合成磁場較圈內(nèi)磁場弱。（4）圓形線圈的電流愈大，半徑愈小，則線圈中心處的磁場強(qiáng)度即愈大。（5）圓形線圈和圓盤形薄磁鐵的磁力線形狀相似。2.螺線形線圈電流的磁場（1）用一條長導(dǎo)線繞成螺線形的長線圈，相稱于由諸多個圓形線圈所串聯(lián)而成，每一圓形導(dǎo)線在中心處所建立的磁場均為同向，能夠增強(qiáng)效應(yīng)，故線圈中心處的磁場較單匝圓形線圈為強(qiáng)。（2）線圈內(nèi)部磁力線形成方向相似的直線，在線圈約兩端磁力線則漸彎曲向外。（3）螺線形線圈的磁力線特性與棒形磁鐵的磁力線相似，線圈內(nèi)的磁力線與線圈外方向恰相反。（4）線圈內(nèi)磁場的強(qiáng)度與線圈上的電流及單位長度內(nèi)線圈的圈數(shù)成正比。3.螺線形線圈電流內(nèi)磁場方向的右手螺旋定則（安培定理）：以右手掌握住線圈，四指指向電流方向，大拇指所指的方向即為線圈內(nèi)磁力線方向。電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的一種重要指標(biāo)，電磁轉(zhuǎn)矩的精確計算也會影響一臺電機(jī)的性能。最慣用的兩種辦法就是麥克斯韋應(yīng)力張量法和磁通法。這兩種辦法都基于有限元計算，有限元分析軟件功效比較強(qiáng)大，能夠通過節(jié)點磁位很容易計算電磁轉(zhuǎn)矩

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。直流電機(jī)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由每極氣隙磁通和電樞電流共同作用產(chǎn)生的。直流電動機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩計算公式TK=9.55KeIK。直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式：T=CTΦIa,其中CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為每極主磁通，Ia為電樞電流。直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩在性質(zhì)上的介紹：1、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由電樞電流在磁場中受到電磁力產(chǎn)生的；2、電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)動方向相似，它是驅(qū)動力矩，電動機(jī)通過它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；3、發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)動方向相反，它是制動力矩，發(fā)電機(jī)通過它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生及作用：1、直流電動機(jī)，外加電源之后，勵磁線圈會在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一種磁場，電樞通電后來，就形成帶電導(dǎo)體。帶電導(dǎo)體在磁場中，就會受到力的作用從而產(chǎn)生運動，這個促使電樞運動的力矩，就是電磁力矩（這個力矩是驅(qū)動電樞運動的）。當(dāng)電樞開始運動之后，就又形成導(dǎo)體切割磁力線，從而導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生（感應(yīng)出）電勢，這個電勢我們稱為感應(yīng)電動勢。外電勢與感應(yīng)電勢關(guān)系為：U=E+IR，U為外電勢，E是內(nèi)電勢（感應(yīng)電勢），I是電機(jī)電流，R是電機(jī)電阻。2、直流發(fā)電機(jī)，這個狀況稍稍復(fù)雜一點。有的發(fā)電機(jī)是自勵磁（規(guī)定有剩磁），有的是外加勵磁電源。無論是哪種狀況，都規(guī)定有磁的存在，當(dāng)電樞運動在磁場中切割磁力線的時候，就會產(chǎn)生一種電勢，這個電勢就是感應(yīng)電勢。跟電動機(jī)同樣的道理，同時存在著一種電磁力矩，只是這個力矩是制止電樞運動的，與外部拖動電樞運動的裝置的力矩相平衡。同樣，外電勢與感應(yīng)電勢關(guān)系為：E=U+IR，U為外電勢，E是內(nèi)電勢（感應(yīng)電勢），I是電機(jī)電流，R是電機(jī)電阻。異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的磁場互相作用使電機(jī)轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須低于旋轉(zhuǎn)磁場才干對轉(zhuǎn)子導(dǎo)線形成磁力線切割，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要低于定子的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，因此稱異步電機(jī)。三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為：其中U1

為輸入電壓；

為歸算后的轉(zhuǎn)子電阻；s為轉(zhuǎn)差率；，由電機(jī)構(gòu)造決定；能夠懂得T∝U12

轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，設(shè)正常輸入電壓時負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T2

，電壓下降使電磁轉(zhuǎn)矩T下降諸多；由于T2

不變，因此T不大于T2

平衡關(guān)系受到破壞，造成電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，轉(zhuǎn)差率S上升；它又引發(fā)轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式的變化，使轉(zhuǎn)子電流I2上升。也就是定子電流I1隨之增加（由變壓器關(guān)系能夠懂得）；同時I2增加也是電動機(jī)軸上送出的轉(zhuǎn)矩T又回升，直到與T2相等為止。這時電動機(jī)轉(zhuǎn)速又趨于新的穩(wěn)定值

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。同時電機(jī)同時發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與磁場的強(qiáng)度和繞組里的電流大小有關(guān)。磁場越強(qiáng)，電磁轉(zhuǎn)矩越大；電流越大，電磁轉(zhuǎn)矩也越大。M=CmφI其中：M---同時發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Cm---同時發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；φ---同時發(fā)電機(jī)的磁通；I---同時發(fā)電機(jī)的電流。另外，也可用功率表達(dá)轉(zhuǎn)矩的公式：M=P/ω其中：M---同時發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；P---同時發(fā)電機(jī)的輸出功率；ω---同時發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度。電磁感應(yīng)定律也叫法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動勢（電壓）稱為感應(yīng)電動勢[1]

。電磁感應(yīng)定律中電動勢的方向能夠通過楞次定律或右手定則來擬定。右手定則內(nèi)容：伸平右手使拇指與四指垂直，手心向著磁場的N極，拇指的方向與導(dǎo)體運動的方向一致，四指所指的方向即為導(dǎo)體中感應(yīng)電流的方向（感應(yīng)電動勢的方向與感應(yīng)電流的方向相似）。楞次定律指出：感應(yīng)電流的磁場要妨礙原磁通的變化。簡而言之，就是磁通量變大，產(chǎn)生的電流有讓其變小的趨勢；而磁通量