简单明了的电磁学基础教程

电子

电磁力是当电流流过一条简单的导体（例如一根电线或电缆）时产生的力。在导体周围会产生一个小的磁场，该磁场相对于其“北极”和“南极”的方向取决于流过导体的电流方向。

磁性在电气和电子工程中起着重要的作用，因为如果没有磁性，则没有继电器，螺线管，电感器，扼流圈，线圈，扬声器，电动机，发电机，变压器和电表等组件，它们将无法工作。

然后，当电流流过时，每个线圈都会利用电磁效应。但是，在我们更详细地研究磁性，尤其是电磁学之前，我们需要回想起关于磁体和磁性如何工作的物理课程。

磁性的本质

磁铁可以以磁性矿石的形式在自然状态下找到，其中两种主要类型是磁铁矿，也称为“氧化铁”（FE 3 O 4 ）和洛德斯通，也称为“铅矿石”。如果将这两个天然磁铁悬挂在一根弦上，它们将处于与地球磁场始终指向北的直线位置。

这种效果的一个很好的例子是指南针。在大多数实际应用中，由于它们的磁性非常低，因此可以忽略这些天然存在的磁体，并且由于当今，人造人造磁体可以以许多不同的形状，尺寸和磁强度生产。

磁性基本上有两种形式，即“永磁体”和“临时磁体”，其使用类型取决于其应用。有许多不同类型的材料可用于制造磁铁，例如铁，镍，镍合金，铬和钴，并且在其自然状态下，其中某些元素（例如镍和钴）本身显示的磁通量非常低。

但是，当与其他材料（例如铁或过氧化铝）混合或“合金化”时，它们会变成非常坚固的磁铁，并产生不寻常的名称，例如“ alcomax”，“ hycomax”，“ alni”和“ alnico”。

非磁性状态的磁性材料的分子结构为松散的磁链或散布成随机图案的单个微小磁体。这种排列方式的总体效果是导致磁性为零或非常弱，因为每个分子磁体的这种随机排列方式都倾向于中和其邻居。

当材料被磁化后，分子的这种随机排列发生了变化，微小的未对准分子和随机的分子磁体变得“排列”起来，从而产生了一系列的磁性排列。铁磁材料的分子排列的这种思想被称为韦伯理论，并在下面说明。

一块铁和一块磁铁的磁分子对准

韦伯的理论基于以下事实：由于原子电子的自旋作用，所有原子都具有磁性。原子团连接在一起，以便它们的磁场都朝相同的方向旋转。磁性材料由处于原子周围分子水平的微小磁体组组成，并且经过磁化处理的材料将使大部分微小磁体在一个方向上排列，仅在一个方向上产生北极，而在另一个方向上产生南极。

同样，材料的微小分子磁体指向各个方向，其分子磁体将被其相邻的磁体中和，从而中和任何磁效应。分子磁体的这些区域称为“畴”。

任何磁性材料本身都会产生磁场，该磁场取决于轨道和旋转电子在材料中形成的磁畴的对准程度。该对准程度可以由称为磁化强度M的量指定。

在未磁化的材料中，M = 0，但是一旦去除磁场，某些磁畴将在材料的小区域上保持对齐。向材料施加磁化力的作用是对齐某些区域以产生非零磁化值。

一旦消除了磁化力，取决于所使用的磁性材料，材料中的磁性将保持不变或迅速消失。材料保持其磁性的这种能力称为保持性。

保持其磁性所需的材料将具有相当高的保持力，因此可用于制造永磁体，而那些需要快速失去磁性的材料（例如继电器和螺线管的软铁芯）将具有非常低的保持力。

磁通量

所有磁体，无论其形状如何，均具有两个称为磁极的区域，磁路内部和周围均具有磁性，从而在其周围产生确定的，有组织且平衡的，看不见的磁通线模式链。这些磁通线统称为磁体的“磁场”。该磁场的形状在某些部分要比其他部分更强，将具有最大磁性的磁体区域称为“极”。磁铁的两端是一个磁极。

这些通量线（称为矢量场）无法用肉眼看到，但是可以通过使用洒在纸上的铁填充物或使用小指南针将它们可视化地看到。磁极始终成对出现，磁体的总区域称为北极，总有相反的区域称为南极。

磁场始终以力的形式直观地显示出来，力在材料的两端（磁通线更密集且更集中）给出明确的磁极。组成磁场的线表示方向和强度，称为力线，或更常用的是“磁通量”，并用希腊文符号Phi（ Φ ）表示，如下所示。

条形磁铁磁场的力线

如上所示，磁场在磁体的磁极附近最强，而磁通线的间距更近。磁通量的一般方向是从北极（ N ）到南极（ S ）。另外，这些磁力线形成闭环，该闭环在磁体的北极离开而在南极进入。磁极始终成对出现。

然而，由于磁通量是存在于其中的磁力周围的磁体周围的静态区域，因此磁通量实际上并没有从北极流向南极或流向任何地方。换句话说，磁通量不会在其中流动或移动，而不会受到重力的影响。绘制力线时会出现一些重要的事实：

力线永不交叉。
力线是连续的。
力线始终在磁体周围形成单独的闭合环。
力线从北到南具有确定的方向。
靠近的力线表示强磁场。
分开的力线表示弱磁场。

磁力像电场力一样吸引和排斥，当两条力线靠近时，两个磁场之间的相互作用会导致以下两种情况之一：

1. –当相邻的两极相同时（北-北或南-南），它们彼此排斥。
2. –当相邻的两极不同时（南北或南北），它们会相互吸引。

著名的“对立吸引”表达很容易记住这种效果，并且可以使用铁填充物显示磁体周围的力线来容易地证明这种磁场相互作用。可以在下面看到不同的磁极组合对磁场的影响，就像磁极排斥和不同。

极与异极的磁场

当用指南针绘制磁场线时，可以看到力线的产生方式是在磁体的两端分别产生一个确定的磁极，在此力线离开北极并重新进入磁极。南极。磁性可以通过加热或锤击磁性材料来破坏，但不能通过简单地将磁铁分成两部分来破坏或隔离。

因此，如果您将普通的条形磁铁分成两块，则没有两半的磁铁，但是每个碎块都会以某种方式拥有自己的北极和南极。如果您将其中一个碎片重新分成两部分，则每个较小的碎片将具有一个北极和一个南极，依此类推。不管磁铁的块有多小，每块仍然会有一个北极和一个南极，这是疯狂的！

然后，为了使我们在电气或电子计算中利用磁性，有必要定义磁性的各个方面。

磁力的大小

现在我们知道，磁力线或更常见的是磁性材料周围的磁通量用希腊文符号Phi（ Φ ）表示，其通量单位是在Wilhelm Eduard Weber之后的Weber（ Wb）。但是给定单位面积内的力线数称为“通量密度”，由于通量（ Φ ）以（ Wb ）表示，而面积（ A ）以米平方（ m 2 ）为单位，因此，通量密度被测量以Webers / Metre 2或（ Wb / m 2 ）表示，并用符号B表示。

但是，当涉及磁场中的磁通密度时，磁通密度以尼古拉·特斯拉之后的特斯拉为单位，因此，一个Wb / m 2等于一个特斯拉，1Wb / m 2 = 1T。通量密度与力线成正比，与面积成反比，因此我们可以将通量密度定义为：

磁通密度

磁通密度的符号为B，磁通密度的单位为Tesla，T。

重要的是要记住，所有通量密度的计算都以相同的单位进行，例如，韦伯中的通量，m2中的面积和特斯拉中的通量密度。

磁性示例1

测得圆形电磁棒中的磁通量为0.013韦伯。如果材料的直径为12cm，请计算通量密度。

磁性材料的横截面积（单位为m2）为：

磁通量为0.013韦伯，因此，磁通密度可以计算为：

因此，磁通密度计算为1.15特斯拉。

处理电路中的磁场时，必须记住一个特斯拉就是磁场的密度，这样，与磁场成直角的1安培的导体在其上承受一牛顿米长的力。