【正文】 為磁性。具有磁性的物體稱為磁體（磁鐵）。磁體分為天然磁體和人造磁體兩大類，工業(yè)上用的永久磁鐵通常是人造的，一般制作成條形、蹄形、圓環(huán)形和針形等。磁鐵兩端磁性最強(qiáng)的區(qū)域叫磁極。每個(gè)磁鐵都具有兩個(gè)磁極，即南極（S）、北極（N）。與電荷一樣，磁極間也存在同性相斥，異性相吸的現(xiàn)象，磁極的這種作用力稱為磁力。2磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁力線與電場一樣，磁體周圍也存在著一個(gè)磁力作用的空間稱為磁場。磁場間的作用力就是通過磁場來傳遞的。磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來描述磁場中各點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度是一矢量，它的方向即為磁場中各點(diǎn)的磁場方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉，簡稱特（T）。在工程計(jì)算中，有時(shí)由于特太大，也常采用高斯（簡稱高，是特的萬分之一）作為磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位。如圖21所示，通常采用磁感應(yīng)線（又稱磁力線）來直觀、形象的表示磁場的強(qiáng)弱和磁力的方向。磁力線具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。⑴ 磁力線是互不交叉的閉合曲線；在磁鐵外部由N極指向S極，在磁鐵內(nèi)部由S極指向N極。⑵ 磁力線上任一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場方向。⑶ 磁力線越密，磁場越強(qiáng)；磁力線越疏，磁場越弱。圖21 磁感應(yīng)線二、電流與磁場電流產(chǎn)生磁場，磁場變化或運(yùn)動(dòng)又產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這是電和磁緊密聯(lián)系的兩個(gè)方面。電流和磁場有著不可分割的聯(lián)系，即磁場總是伴隨著電流存在，而電流則永遠(yuǎn)被磁場包圍著。許多電器設(shè)備都是根據(jù)電和之間的作用原理而工作的。實(shí)驗(yàn)表明，在載流導(dǎo)體或永久磁鐵周圍有磁場存在。磁場具有力和能的特性：磁場對處在場內(nèi)的另一載流導(dǎo)體或鐵磁物質(zhì)有力的作用，并能在對磁場作用對運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢；磁場內(nèi)具有能量。載流導(dǎo)體周圍的磁場方向與產(chǎn)生該磁場的電流方向有關(guān)。磁場方向與電流方向之間的關(guān)系，可用安培定則（又稱右手螺旋法則）來確定。對于載流直導(dǎo)體，在運(yùn)用這個(gè)定則時(shí)，應(yīng)將右手的大拇指指向電流方向，而彎曲四指的指向則表示磁場方向。如圖22所示。 圖22 載流直導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場如果載流導(dǎo)體繞成螺管形狀，則與載流直導(dǎo)體的情況相反，此時(shí)右手彎曲四指的方向應(yīng)表示電流方向，而大拇指的指向則表示磁場方向，如圖23所示。圖23 載流螺線管產(chǎn)生的磁場磁場的重要特性之一是磁場對載流導(dǎo)體有作用力（即電磁力）。力的方向則和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向以及電流的方向垂直。磁場對載流導(dǎo)體的作用力大小可表示為 F=BILsinα (27)式中 F ——通電導(dǎo)體受到的電磁力，N； B ——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T； I ——導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，A； L ——導(dǎo)體在磁場中的長度，m； α——電流方向與磁場方向的夾角。通電導(dǎo)體的受力方向可用左手定則來確定。如圖24所示，平伸左手，使拇指垂直其余四指，手心正對磁場的方向，四指指向表示電流方向，則拇指指向表示通電導(dǎo)體所受磁力的方向。磁場中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，就等于同磁力線方向垂直、載有單位電流、單位長度的直導(dǎo)線在該點(diǎn)受到的電磁力。若在磁場的各點(diǎn)上，載流導(dǎo)體受到的電磁力大小相等，方向相同，這表明磁場中各點(diǎn)的強(qiáng)弱程度相同，亦即磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。這樣的磁場稱為均勻磁場。如磁力線分布均勻且相互平行，則為均勻磁場，否則為不均勻磁場。對于均勻磁場可用疏密均勻、方向相同的磁力線來表示。在國際單位制中，力的單位用牛（N）,電流的單位用安（A）， 圖24 左手定則 長度的單位用米（m),因此磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位也可用牛/（安?米）[N/（A?m）表示，另外還可用韋伯/米178。（Wb/m178。）表示。磁場對載流導(dǎo)體的作用力將使導(dǎo)體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這樣，電磁力就對導(dǎo)體做了機(jī)械功。實(shí)際上，這就是借助于磁場把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程,它是一切電動(dòng)機(jī)工作的理論基礎(chǔ)。在均勻磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度與垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度的某一面積的乘積稱為磁通。磁通的單位是韋伯，簡稱韋（Wb）。在工程計(jì)算中，有時(shí)由于這一單位太大，也常采用麥克斯韋（簡稱麥，為韋的億分之一）作為磁通的單位。如果把磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通同磁力線聯(lián)系起來，則可認(rèn)為磁通在數(shù)值上就等于垂直穿過該截面的磁力線數(shù)，而磁感應(yīng)強(qiáng)度就等于垂直穿過單位面積上的磁力線數(shù)，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度。綜上所述，磁感應(yīng)強(qiáng)度是描繪磁場中某一范圍內(nèi)的磁場情況的物理量。在研究電磁現(xiàn)象時(shí)，有時(shí)用磁感應(yīng)強(qiáng)度，有時(shí)用磁通，視具體情況而定。三、磁路與磁路定律1. 磁導(dǎo)率處于磁場中的任何物質(zhì)均會(huì)或多或少地影響磁場的強(qiáng)弱，這種使原磁場的強(qiáng)弱改變的現(xiàn)象稱為磁化。磁場受影響的程度則與該磁場中物質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)，如鐵、鈷、鎳等鐵磁性物質(zhì)處于磁場中將會(huì)大大加強(qiáng)原磁場，磁導(dǎo)率就是用來衡量物質(zhì)磁性能的物理量。當(dāng)較長的直導(dǎo)體通過電流時(shí)，導(dǎo)體周圍某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)體中通過的電流成正比，與該點(diǎn)到導(dǎo)體軸線之間的距離成反比，并于磁場中物質(zhì)的磁導(dǎo)率成正比。自然界中大多數(shù)的物質(zhì)對磁場強(qiáng)弱的影響都很小，有的物質(zhì)使磁場略為比真空時(shí)的增強(qiáng)些，有的則略為減弱些，亦即它們的磁導(dǎo)率近似的等于真空的磁導(dǎo)率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，真空的磁導(dǎo)率比較小且為一常數(shù)。只有鐵、鈷、鎳及其合金的磁導(dǎo)率數(shù)值很大，因而能使磁場大為增強(qiáng)，通常把這一類物質(zhì)稱為磁物質(zhì)或鐵磁材料。如果載流導(dǎo)體的周圍有鐵磁物質(zhì)存在，則鐵磁物質(zhì)中的磁場將顯著增強(qiáng)。例如，鑄鐵的磁導(dǎo)率比真空的磁導(dǎo)率大數(shù)百倍，故用鑄鐵做鐵心的線圈，在通電以后，它內(nèi)部的磁場就比空心（或用非鑄鐵物質(zhì)做芯子）線圈的內(nèi)部從磁場強(qiáng)幾百倍。2. 磁場強(qiáng)度由于磁場中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不僅和電流、導(dǎo)體的幾何形狀以及位置有關(guān)，而且還和物質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)，這就使磁場的計(jì)算（尤其是計(jì)算不同鐵磁物質(zhì)的磁路）變得比較復(fù)雜。為了計(jì)算上的方便，引入一個(gè)計(jì)算磁場的輔助量，稱為磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度也是一個(gè)矢量。磁場中某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度的方向即為該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。運(yùn)用磁場強(qiáng)度不僅可以簡化磁場的計(jì)算，而且還可以用它來分析鐵磁物質(zhì)的磁化狀況。磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，就等于該點(diǎn)的磁場強(qiáng)度和物質(zhì)的磁導(dǎo)率的乘積，即 B=μH （28）式中 H ——磁場強(qiáng)度，安/米（A/m）。 B ——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T； μ——磁導(dǎo)率，亨/米（H/m）。四、感應(yīng)定律當(dāng)導(dǎo)體對磁場相對運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體中便有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生；此外，當(dāng)與回路交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，回路中也會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。這兩種本質(zhì)上一樣，但在不同條件下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象，通稱為電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)是一切電機(jī)工作的理論基礎(chǔ)。當(dāng)處在均勻磁場中的導(dǎo)體，以速度ν朝著與磁感應(yīng)強(qiáng)度相垂直的方向運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為e=BLν (29) 式中 e ——感應(yīng)電動(dòng)勢，V； B ——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T； L ——導(dǎo)體的有效長度，m。 ν——導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與磁場的方向、導(dǎo)線切割磁力線的方向有關(guān)，可用右手定則來確定，如圖25所示，右手伸直展平，拇指與其余四指垂直，手心對著磁力線的方向，拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)的方向，則四指的方向即為感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)因切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，導(dǎo)體便成了電源，若把它與外電路接通，它就輸送出一定的電能，這個(gè)過程也就是借助于磁場把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，這是一切發(fā)電機(jī)工作的理論基礎(chǔ)。 圖25 右手定則 在圖26中，當(dāng)永久磁鐵插入線圈或從線圈中取出時(shí)，接在線圈回路中的檢流計(jì)機(jī)會(huì)向不同的方向偏轉(zhuǎn)。若磁鐵插入或取出 得愈快，則檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)角也就愈大。上述現(xiàn)象不僅表明當(dāng)與線圈交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈回路中便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，而且還指出了電動(dòng)勢的大小和方向與磁通的變化情況有關(guān)。圖26 回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)與回路交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，回路就要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和磁通的變化率及線圈的匝數(shù)成正比。這就是法拉第的 電磁感應(yīng)定律e=N?ΔΦ∕Δt (210)式中 e ——感應(yīng)電動(dòng)勢，V； N ——線圈的匝數(shù)； ΔΦ∕Δt ——磁通變化率，V。式（210）中的負(fù)號表示感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與磁通的變化率相反，可用楞次定律來表示：如果回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢是由于與回路交鏈的磁通發(fā)生變化而產(chǎn)生的，則感應(yīng)電動(dòng)勢在閉合回路中講產(chǎn)生一感生電流，力圖阻止磁通改變。通常采用楞次定律來確定感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。必須指出，如果線圈回路斷開，感應(yīng)電動(dòng)勢就不可能在此回路中產(chǎn)生感生電流，但同樣可用上述方法來確定電動(dòng)勢的方向。3. 自感電動(dòng)勢和互感當(dāng)變化的定律通過線圈時(shí)，便產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁通穿過線圈，在線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。這種感應(yīng)電動(dòng)勢是由于通過線圈本身的電流變化而引起的，故稱為自感電動(dòng)勢。用eL表示。線圈中自感電動(dòng)勢同樣可用電磁感應(yīng)定律來計(jì)算。自感電動(dòng)勢是由于通過線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的，故應(yīng)當(dāng)找出自感電動(dòng)勢和電流之間的關(guān)系?？梢宰C明自感電動(dòng)勢的大小與通過線圈電流的變化率成正比，即eL=LΔi/Δt （211）式中 eL ——自感電動(dòng)勢，V； L ——線圈的自感系數(shù)或電感，H； Δi/Δt ——電流的變化率，A/s。由于電感和線圈的匝數(shù)的平方成正比，而和磁阻Rm成反比，電感是表征線圈本身結(jié)構(gòu)的物理量。應(yīng)該指出，由于鐵心線圈的電感L并非常數(shù)，故不能應(yīng)用式（211）來計(jì)算自感電動(dòng)勢，而必須根據(jù)電磁感應(yīng)定律來計(jì)算。在直流電路中，通過線圈的電流是恒定的，故線圈只有在電路斷開或接通的一瞬間才有自感電動(dòng)勢產(chǎn)。因此，電感線圈在電路中具有穩(wěn)定電流的作用，在線圈的電阻一定時(shí)，電感越大，穩(wěn)定作用越強(qiáng)。自感對人們來說，有利有弊。在一些電工設(shè)備中，常利用鐵心線圈的自感電動(dòng)勢來阻礙電流的變化，以達(dá)到穩(wěn)定電流的目的，如整流器中的扼流線圈。但在含有大電感元件的電路被切斷的瞬間，由于自感電動(dòng)勢很大，在開關(guān)處會(huì)產(chǎn)生電弧，容易損壞設(shè)備，應(yīng)盡量避免。綜上所述,可得如下結(jié)論。⑴自感電動(dòng)勢eL是由通過線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的。⑵當(dāng)電感L為常數(shù)時(shí)，自感電動(dòng)勢的大小等于電感L和電流變化率的乘積。⑶自感電動(dòng)勢起著阻礙電流變化的作用。如果由于一個(gè)線圈的電流變化而引起另一個(gè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象，就稱為互感應(yīng)，由互感應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢稱作互感電動(dòng)勢，能夠產(chǎn)生互感電動(dòng)勢的兩個(gè)線圈稱作磁耦合線圈?；ジ须妱?dòng)勢的大小和方向同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，第二線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢總是力圖阻止第一個(gè)線圈中電流的變化。同樣，互感也有利有弊。如各種變壓器、電動(dòng)機(jī)都是應(yīng)用互感原理工作的；但在電子電路中，如線圈位置不當(dāng)，各線圈產(chǎn)生的磁場將會(huì)互相干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)電路無法工作。4. 鐵心線圈的磁化現(xiàn)象以上分析研究了由于直導(dǎo)體切割磁力線何以由于線圈交鏈的磁通發(fā)生變化而直導(dǎo)體和線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象及其規(guī)律。但在電工技術(shù)中常要用到含有鐵心的線圈，且通過線圈的電流大小和方向往往是按周期性的規(guī)律在變化。所以，有必要進(jìn)一步探討線圈中的鐵心在反復(fù)磁化的過程中，會(huì)有哪些現(xiàn)象產(chǎn)生。線圈中的鐵心是由鐵磁材料制成的，鐵心在反復(fù)磁化過程中，由于磁化的完成需要一定的時(shí)間。因而磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化將可能滯后于外部磁場強(qiáng)度的變化，即存在磁滯現(xiàn)象。它將帶來能量損耗，磁滯損耗的大小與電源的頻率及鐵磁材料的磁滯回線的面積有關(guān)。另外鐵心可看成是由許多與磁通相垂直的閉合細(xì)絲所組成的，因而形成了許多閉合的回路。由于通過鐵心的磁通是隨著電流作周期性變化的，所以在這些閉合回路中必有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。在此電動(dòng)勢的作用下，形成了許多漩渦形的電流，這種電流稱為渦流，見圖27(a)。由此可見，渦流是電磁感應(yīng)的一種特殊形式。渦流在鐵心中流動(dòng)，使鐵心發(fā)熱，引起能量損耗。這種損耗稱為渦流損耗，它與磁滯損耗合稱為鐵損耗。為了減小渦流損耗，電機(jī)、變壓器、交流電磁鐵等電氣設(shè)備的鐵心都采取硅鋼片疊成。硅鋼片是含硅2%～5%的硅鋼軋成，～1mm，硅鋼片上涂以絕緣漆，使硅鋼片間相互絕緣。圖227（b）中，用硅鋼片（疊合起來）制成的鐵心，能使渦流大為減小。圖27 渦流渦流能使鐵心發(fā)熱，這是不利的一面，但在近代工業(yè)上常用渦流發(fā)熱作用來熔化金屬等。如感應(yīng)爐，當(dāng)大小和方向不斷變化的電流通過線圈時(shí)，鐵心中便有變化的磁通通過，因而在待熔金屬中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和渦流，使金屬發(fā)熱以致熔化。第三節(jié) 單相交流電路一﹑正弦交流電的基本概念1. 交流電的特點(diǎn)直流電與交流電的根本區(qū)別是：直流電的方向不隨時(shí)間的變化而變化，交流電的方向則隨時(shí)間的變化而變化。直流電中大小和方向都不變的為穩(wěn)恒直流電，僅僅大小變化的為脈動(dòng)直流電。大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的電動(dòng)勢、電壓和電流分別稱為交變電動(dòng)勢、交變電壓和交變電流，統(tǒng)稱為交流。在交流作用下的電路稱為交流電路。常用的交流電是隨時(shí)間做正弦規(guī)律變化的，統(tǒng)稱為正弦交流電。本節(jié)僅討論正弦交流電，以下所稱的交流電均指正弦交流電。交流電有極廣泛的應(yīng)用，這是與它具有許多特點(diǎn)分不開的。例如可利用變壓器把某一數(shù)值的交流電壓變換成同頻率的另一數(shù)值的交流電壓。這樣，就解決了高壓輸電和低壓配電之間的矛盾。因?yàn)椴捎酶邏狠旊姷暮锰幨禽斔偷木嚯x遠(yuǎn)且極為經(jīng)濟(jì)；采用低壓配電的好處是用電時(shí)比較安全。此外，交流電機(jī)的構(gòu)造比直流電機(jī)簡單，而且成本低、工作可靠。因此，現(xiàn)代發(fā)電廠發(fā)出的電能幾乎都是交流的，所以在照明、動(dòng)力、電熱等方面的絕大多數(shù)設(shè)備都是取用交流電。即使某些需要直流電的工業(yè)，例如電鍍、電解等，也是采用整流設(shè)備把交流電轉(zhuǎn)換成直流電。圖28 正弦交流電動(dòng)勢的產(chǎn)生正弦交流電是由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。圖28（a)中，發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子有N、S兩極。當(dāng)用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于導(dǎo)體切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。圖28（b）中，定子和