一、什么是磁鐵與磁性材料斷路器
1、磁鐵
將一塊磁鐵靠近鐵釘，如圖一所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵即使沒(méi)有接觸到鐵釘，也會(huì)把鐵釘吸引過(guò)來(lái)。磁鐵沒(méi)有接觸鐵釘就可以將它吸引過(guò)來(lái)，這是因?yàn)榇盆F能產(chǎn)生磁場(chǎng)，是磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力將鐵釘“拉”過(guò)來(lái)的。
圖一 磁鐵吸引鐵釘
任何一塊磁鐵都有兩個(gè)磁極，即N極、S極。由于磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)人眼看不見(jiàn)，但實(shí)際上又存在，為了表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向，通常在磁鐵周?chē)?huà)一些帶箭頭的閉合線條，這些線條稱(chēng)作磁感線(俗稱(chēng)磁力線)，如圖二所示。磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，磁感線上的箭頭表示磁場(chǎng)的方向。從圖中可以看出，磁鐵N極、S極兩端出來(lái)和進(jìn)入的磁感線最密，所以磁鐵兩端的磁場(chǎng)最強(qiáng)，磁感線箭頭的方向在磁鐵外部是由磁鐵的N極出來(lái)，S極進(jìn)入(在磁內(nèi)部由S極指向N極)。磁場(chǎng)具有同極性排斥、異極性吸引的性質(zhì)。
圖二 磁鐵周?chē)拇鸥芯€
2、磁鐵材料
如果將一根不帶磁性的鋼棒接觸磁鐵，如圖三所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)先前不帶磁性的鋼棒現(xiàn)在也可以吸引鐵釘，此時(shí)再移開(kāi)磁鐵，鋼棒還能吸引鐵釘，也就是說(shuō)，磁鐵接觸鋼棒，使鋼棒也具有了磁性。
圖三 磁化的鋼棒吸引鐵釘
沒(méi)有磁性的物質(zhì)在場(chǎng)的作用下帶上磁性的現(xiàn)象稱(chēng)為磁化現(xiàn)象，這種在磁場(chǎng)作用下能上性的物質(zhì)稱(chēng)為礎(chǔ)性材料，磁性材料可分為軟磁性材料和硬磁性材料。
①軟磁性材料。軟磁性材料在外部磁場(chǎng)作用下，容易被錯(cuò)化而帶磁性，外部磁場(chǎng)消失后，其所帶的磁性會(huì)隨之消失、剩磁很少，常見(jiàn)的軟磁性材料有純鐵，硅鋼，坡莫合金、錳鋅鐵氧體和保鋅鐵氧體等，軟磁性材料常用在變壓器，電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，接觸器，繼電器和錄音機(jī)、攝求像機(jī)的磁頭中。
②硬磁性性材料。在外部磁場(chǎng)的作用下，容易被磁化而帶磁性，外部磁場(chǎng)消失后，其性不容易消失，還會(huì)保留較強(qiáng)的剩磁。常見(jiàn)的硬磁性材料有二氧化鉻，三氧化二鐵、鐵鉆合金和鐵鐵合金等，硬磁性材料常用在電工儀表，高效能電動(dòng)機(jī)和一些磁記錄設(shè)備中。
二、通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)
先來(lái)按圖四所示的方法做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一根不帶磁性的鐵棒上纏繞多匝線圈，再在線圈的引出線上接好開(kāi)關(guān)和電池，在鐵棒下方有一只小鐵釘。在閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，鐵釘馬上被鐵棒吸引過(guò)來(lái)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，鐵釘又會(huì)掉下米。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，通電線圈也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將鐵棒磁化使之帶磁，帶上磁性的鐵棒就能吸引鐵釘。
圖四 通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)
通電導(dǎo)體能產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)一樣，都具有大小和方向，通過(guò)導(dǎo)體的電流方向變化，導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也會(huì)變化。下面來(lái)分析兩種類(lèi)型的通電導(dǎo)體的電流與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的關(guān)系。
1、通電螺旋管導(dǎo)體的電流與磁場(chǎng)關(guān)系
在圖四中，繞在鐵棒上的線圈呈螺旋狀，通常將這種形狀的導(dǎo)體稱(chēng)為螺旋管導(dǎo)體。對(duì)于通電螺旋管導(dǎo)體，通過(guò)電流的方向與產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向可用右手螺旋定則來(lái)判斷。如圖五所示，用右手四指握住螺旋管，四指的彎曲方向與環(huán)形電流方向一致，讓大拇指伸直，大拇指所指的方向就是螺旋管產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感線方向。大家可試著用該方法來(lái)分析圖四中線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感線方向。
圖五 用右手螺旋定則判斷通電螺旋管導(dǎo)體的磁場(chǎng)方向
2、通電直導(dǎo)體的電流與磁場(chǎng)關(guān)系
電流通過(guò)直導(dǎo)體也會(huì)在導(dǎo)體附近產(chǎn)生磁場(chǎng)。對(duì)于通電直導(dǎo)體，通過(guò)電流的方向與產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向也可用右手螺旋定則來(lái)判斷。如圖六所示，用右手四指握住直導(dǎo)體，讓伸直的大 拇指指向電流的方向，彎曲的四指所指的方向就是直導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感線的方向。
圖六 用右手螺旋定則判斷通電直導(dǎo)體的磁場(chǎng)方向
三、通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)
通電導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，若將通電導(dǎo)體放在其磁場(chǎng)中（如磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)），通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其他磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生吸引或排斥，從而使通電導(dǎo)體收到作用力。通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的力稱(chēng)為安倍力。
安培力的方向可用左手定則來(lái)判斷。如圖七所示，伸開(kāi)左手手掌，讓大拇指和其余四手指垂直，并且和手掌都在同一平面內(nèi)，把于掌伸入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿過(guò)手掌，同時(shí)讓四指指向?qū)w的電流方向，那么，大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受安培力的方向。
圖七 用左手定則判斷通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向
導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受安培力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體流過(guò)的電流I。導(dǎo)體的長(zhǎng)度L有關(guān)。導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的安培力可用下面的式子來(lái)計(jì)算：F=BILsinα，式中，F(xiàn)為安培力，單位為牛頓(N)：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)，它表示磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向，其大小用該點(diǎn)磁感線的疏密來(lái)表示，某點(diǎn)磁感線越密，則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，如果磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱相同，那么該磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度是相同的，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與磁場(chǎng)方向相同；L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，單位為米(m)；1為導(dǎo)體通過(guò)的電流，單位為安培(A)：α為導(dǎo)體與磁場(chǎng)的夾角，如圖八所示，如果通電導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直，即a=90°，那么通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)受到的安培力F=BIL。
圖八 安培力計(jì)算公式說(shuō)明
四、電磁感應(yīng)
電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，反過(guò)來(lái)也可以利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流。當(dāng)閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線，或者穿過(guò)閉合電路的磁感線數(shù)量(又稱(chēng)磁通量)發(fā)生變化時(shí)，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
1、導(dǎo)體在切割磁感線時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流
當(dāng)導(dǎo)體切割磁場(chǎng)磁感線時(shí)，導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如果將該導(dǎo)體與其它線路接成閉合電路，電路中就有電流流過(guò)。如圖九所示，將與電流表連接在一起的導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中馬上有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，此時(shí)的導(dǎo)體就相當(dāng)于一個(gè)電池，它會(huì)輸出電流，電流表表針擺動(dòng)。
圖九 用右手定則判斷導(dǎo)體切割磁力線時(shí)產(chǎn)生的電流方向
導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向(也即導(dǎo)體、電流表產(chǎn)生的電流方向)與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)的方向有關(guān)，導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則判斷。具體如圖九所示，伸開(kāi)右手，讓拇指和四指垂直并 且在同一平面內(nèi)，將右手掌放入磁場(chǎng) 中，讓磁感線垂直穿過(guò)掌心，拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)的方向，四指所指的方向就是導(dǎo)體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的方向，也是導(dǎo)體產(chǎn)生電流的方向。
在圖九中，如果導(dǎo)體靜止不動(dòng)，而讓磁場(chǎng)橫向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體也會(huì)切割磁感線，導(dǎo)體中也有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。在這種情況下判斷導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)的方向時(shí)，應(yīng)將磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的相反方向看作導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向，如磁場(chǎng)往左運(yùn)動(dòng)可以看成是磁場(chǎng)不動(dòng)而導(dǎo)體往右運(yùn)動(dòng)，再用右手定則來(lái)分析導(dǎo) 體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向。
導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大小可用下面公式計(jì)算：E=BLVsinα，式中E為電動(dòng)勢(shì)，單位為伏特(V)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)；L為導(dǎo)體 的長(zhǎng)度，單位為米(m)：V為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度，單位為米每秒(ms)：α為導(dǎo)體運(yùn) 動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，α=90°。
2、閉合電路在磁通量變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流
除了導(dǎo)體切割磁感線會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)外，閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)也能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 為了說(shuō)明閉合電路磁通量發(fā)生變化能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，先按如圖十所示做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將線 圈與一個(gè)電流表連接起來(lái)，電流表表針不動(dòng)，然后拿一塊磁鐵靠近線圈。當(dāng)磁鐵插入線圈時(shí)電流表表針會(huì)擺動(dòng)，說(shuō)明線圈有電流產(chǎn)生：當(dāng)磁鐵插在線圈中不動(dòng)時(shí)，表針不動(dòng)，說(shuō)明線圈無(wú)電流產(chǎn)生：當(dāng)突然拔出磁鐵時(shí)，表針又發(fā)生擺動(dòng)，說(shuō)明線圈又有電流產(chǎn)生，但表針此刻的擺動(dòng)方向與插入磁鐵時(shí)的擺動(dòng)方向相反。
圖十 閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生電流的實(shí)驗(yàn)
在該實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)插入磁鐵時(shí)，穿過(guò)線圈的磁感線數(shù)量增多(即磁通量增多)：當(dāng)拔出磁穿過(guò)線圈的磁感線數(shù)量減少(即磁通量減少)，線圈中都有電流產(chǎn)生：而磁鐵在線圈中不動(dòng)時(shí)，穿過(guò)線圈的磁感線數(shù)量不變(即磁通量不變)，線圈中無(wú)電流產(chǎn)生。因此可以得出這樣的結(jié)論：當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)：當(dāng)線圈與其他元器件組成閉合電路時(shí)，線圈中就有電流產(chǎn)生。
線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向與穿過(guò)線圈的磁通量有關(guān)，它們之間的關(guān)系可用楞次定律來(lái)判斷。楞次定律指出：閉合線圈的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量增多時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流所形成的磁場(chǎng)要阻礙磁通量增多：當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量減少時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流所形成的磁場(chǎng)要阻礙磁通量減少。
利用楞次定律可判斷線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向。具體是：先判斷穿過(guò)線圈的磁通量方向及變化趨勢(shì)(即是增大還是減小)，再根據(jù)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙磁通量變化的原則，來(lái)確定感應(yīng)電流的方向。下面以圖十一所示兩種情況來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。
在圖十一(a)中，穿過(guò)線圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有增多的趨勢(shì)。根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙磁通量變化的原則，確定線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)是上N下S，因?yàn)橹挥芯€圈產(chǎn)生上N下S的磁場(chǎng)才能阻礙下N上S并且增多的磁通量(可理解為同性相斥，線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的上N下S的磁場(chǎng)阻礙下N上S的磁鐵靠近)，確定線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向后，再用右手螺旋定則不難判斷出線圈的感應(yīng)電流方向是由下往上。
在圖十一(b)中，穿過(guò)線圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有減少的趨勢(shì)。根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙磁通量變化的原則，確定線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)是上S下N，因?yàn)橹挥芯€圈產(chǎn)生上S下N的磁場(chǎng)才能阻礙下N上S并且減少的磁通量(可理解為異性相吸，線圈產(chǎn)生的上S下N的磁場(chǎng)吸引下N上S的磁鐵，阻礙其離開(kāi))，確定線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向后，再用右手螺旋定則不難判斷出線圈的感應(yīng)電流方向是由上往下。
圖十一 用楞次定律判斷線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向
線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小可用法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)計(jì)算。法拉第電磁感應(yīng)定律指出：閉合線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)回路的磁通量的變化率成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中，E為電動(dòng)勢(shì)；N為線圈的匝數(shù)；ΔΦ表示磁通量的變化量；Δt表示磁通量變化ΔΦ表示磁通量的變化量；Δt表示磁通量變化ΔΦ變化相同，但變化所需的時(shí)間Δt更短，故線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)會(huì)更高。
五、自感與互感
1、自感
圖十二為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，在圖(a)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，燈泡HL2馬上變亮，而燈泡H1慢慢變亮，然后亮度不變；在圖(b)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，燈泡HL馬上變亮，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，HL不會(huì)馬上熄滅，而是慢慢熄滅。
為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？原來(lái)當(dāng)流過(guò)線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為自感現(xiàn)象，由自感產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為自感電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向總是要阻礙電流的變化。
在圖十二 (a)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，流過(guò)線圈的電流由無(wú)到有，該電流是一個(gè)增大的電流，線圈馬上產(chǎn)生左正右負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙增大的電流通過(guò)(可理解為線圈左端為正，左端電位升高，電流較難通過(guò))，由于自感電動(dòng)勢(shì)的阻礙，流過(guò)線圈的電流只能慢慢增大，故燈泡HLI慢慢變亮，當(dāng)電流達(dá)到最大值不再變化時(shí)，線圈的自感電動(dòng)勢(shì)消失，燈泡亮度保持不變:在圖圖十二 (b)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，流過(guò)線圈的電流突然減小，線圈馬上產(chǎn)生左負(fù)右正的自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流減小(可理解為線圈左端為負(fù)，左端電位下降，吸引電流通過(guò)線圈)，由于線圈與HL組成一個(gè)閉合電路，線圈此刻就像是一一個(gè)左負(fù)右正的電池，它產(chǎn)生電流流過(guò)HL,電流方向是線圈右正-HL線圈右負(fù)，電流在線圈內(nèi)部是由左端流到右端，隨著流過(guò)HL和線圈的電流不斷減小，線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不斷降低，當(dāng)電流為0時(shí)，線圈的電動(dòng)勢(shì)也為0。
線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)大小與電流的變化率AI/At成正比，與線圈的自感系數(shù)L (又稱(chēng)電感量，其大小與線圈匝數(shù)等有關(guān)，匝數(shù)越多，L值越大)也成正比，自感電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
2、互感
圖十二為一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，在一個(gè)環(huán)形鐵芯上繞有兩組線圈，一組線圈(稱(chēng)作一次繞組)接電源和開(kāi)關(guān)，另一組線圈(稱(chēng)作二次繞組)接一只電流表，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流表的表針擺動(dòng)一下，然后不動(dòng)。
為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?原來(lái)當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)。一次繞組突然有增大的電流（從無(wú)到有）通過(guò)，繞組馬上產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙該電流增大，因此流過(guò)一次繞組的電流只能慢慢增大。此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)慢慢增強(qiáng)，該逐漸增強(qiáng)的磁場(chǎng)沿著鐵芯穿過(guò)二次繞組，即穿過(guò)二次繞組的磁通量逐漸增大，根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律可知，當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因此二次繞組會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，二次繞組與電流表接成閉合回路，電流表就有電流通過(guò)。開(kāi)關(guān)閉合后，當(dāng)一次繞組的電流達(dá)到最大值不再變化時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也不變化，穿過(guò)二次繞組的磁通量也就不變，二次繞組不再產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電流表無(wú)電流通過(guò)。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流表表針也會(huì)擺動(dòng)一下，其原因可自行分析。
一個(gè)線圈的電流變化而使其它線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為互感現(xiàn)象。由互感而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為互感電動(dòng)勢(shì)?；ジ须妱?dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)本線圈的磁通量變化率成正比，互感電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算比較復(fù)雜，這里不作介紹。變壓器、電壓互感器和電流互感器都是利用互感原理來(lái)工作的。
互感現(xiàn)象不僅會(huì)發(fā)生在兩個(gè)相距很近的線圈之間，也會(huì)發(fā)生在任意兩個(gè)相互靠近的電路之間，這樣容易引起干擾，給電路加設(shè)屏蔽罩可減少或避免這種干擾。
