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第5章 电与磁的关系

一、电变磁

丹麦物理学家奥斯特在1819年冬天发现放在通电导线旁边的磁针发生了偏转,他惊奇极了,多次重复做这种实验,进行深入研究。1820年他宣布:导体中的电流在导体周围产生了一个环形磁场,这叫做电流的磁效应。发现了电流的磁效应,就更能使电流在许多方面获得广泛应用,例如人们制造出电磁铁。

用导线绕成螺线管,把铁棒插入螺线管中,通电后就产生磁性,这就是最简易的电磁铁。电磁铁优点很多,比如,可以通过通电与断电,使它产生磁性或失去磁性;可以用控制电流强弱等方法控制磁性的强弱;可以变换电流方向来控制它的南北极。电磁铁用途很广,如电磁起重机、电磁选矿机、电铃、电报机、电动机、发电机、自动控制上都要使用它。

除了电磁铁,人们利用电的磁效应制作了电磁继电器,它一般由电磁铁,衔铁,弹簧片,触点等组成,其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。用低电压、弱电流来控制高电压、强电流的工作电路,在实现远距离操纵和自动控制等方面,都离不开电磁继电器。

电动生磁还是电动机工作原理。英国著名物理学家迈克尔·法拉第曾经把一根磁棒竖在在中央,磁棒的一端用蜡固定在罐底,然后往罐里灌入水银,露出水银液面的磁棒另一端指向北极。他又把一根金属导线穿过软木塞(导线不和磁棒接触)。再用另一根导线与电池的一极相接,使它越过罐边插在水银中。再后,把穿在软木塞上的那根导线与电池的另一极相接。他闭合了电路,软木塞上的那根导线,就绕着磁棒转动起来……这就是著名的通电导线绕磁棒转实验。

这个实验是最原始的电动机,人类历史上的第一台电动机。实验证明了磁场对电流有作用,会使通电的导体发生机械运动。电动机的作用非常大,电车、电力机车、起重机以及许许多多机器,要靠它提供动力,它是非常重要的动力机械。

电动机的主要部分是两个电磁铁,一个固定不动叫“定子”,一个能够活动叫“转子”,它给各种机器提供动力,如图1-1所示。

二、磁变电

1831年8月29日,法拉第在一个空心的纸圆筒上,用铜丝绕成了八个小线圈,连成了一个大线圈,大线圈两端跟电流计连接。然后,他用一个条形磁铁往空心纸筒里一插,就在这一瞬间,电流计的指针移动了;往外一抽,电流计的指针又移动了。如果条形磁铁插进纸筒后再不运动,电流计的指针就不移动。这个实验证明了磁能生电,这是感应电流的发现。

这个实验导线中电流持续时间很短。1831年10月28日,法拉第制造出一个用磁产生稳定电流的装置:他在一个铜轴上装了一个扁平的铜盘,用一根导线穿过铜轴连接电流计,用另一根导线与铜盘的边缘相接也连接电流。铜轴上装有摇把,在磁铁的两极之间转动铜盘,就产生出了稳定而又持续的电流。

法拉第的这两个实验是著名的电磁感应实验,即指出了磁变电的方法。动磁生电是发电机工作原理,这里就着重介绍发电机。

为了弄清关于发电机的一些最简单的问题,先说说感应电流的方向。感应电流的方向,与磁力线的方向、导体运动的方向有关系。磁力线从平伸的右手掌心穿过,垂直于四指的拇指指出的是导体运动的方向,那么其余四指所指的就是感应电流的方向。

先做一个直径3厘米、长10厘米的圆纸筒,用直径0.3毫米的漆包线在上面绕200圈,线圈两端接到电流计上。然后用一个条形磁铁在线圈里不断上下移动,观察电流计指针有什么变化。

还可以先做一个电磁铁,然后做一个线圈,在线圈上接一个电流计。拿着线圈套在电磁铁上做上下移动,观察电流计指针有什么变化。

这两个实验中,你的手握着条形磁铁或线圈做上下移动,这是一种机械运动,电流计就指示出有感生电流。可见,机械能转换成了电能。发电机就是把机械能转化成电能的机器,是当代最重要的电源。

发电机有一种叫做交流发电机,它发出的电流周期性地改变方向;还有一种叫直流发电机,它发出的电流方向不变。交流电和直流电有什么不同点和相同点呢?首先,直流电的磁场是稳定的,交流电的磁场的强弱和方向都是不断变化着的。其次,直流电的正负极性不变化,而交流电的正负极性是不断变化的,所以电解工业、电镀工业要用直流电。它们还有一些别的不同,但它们的光效应和热效应是一样的。

从历史上看,最早的发电设备是伏打电池,它产生的是直流电。法拉第发现电磁感应现象以后人们造出了直流发电机。但直流电有个缺点,在输送的时候电能损失很大,所以后来制作了交流发电机。因为交流电的电压可以用变压器来升高或者降低,使用起来就方便多了。而且交流电可以用高压输送,电能损失较小;交流电经过整流还可以成为直流电。所以,当今的电力领域,几乎是交流电的一统天下了。

三、变压器

变压器也是应用电磁感应原理的设备,能使电压由高变低、由低变高,还能使电流量增大或减少。我们做一个最简单的变压器,并实验一下。

找一个凵形的铁芯,先用绝缘布把它的两臂缠好,然后用直径0.2毫米的漆包线,在它的一臂上绕1100匝。在另一臂上,用直径0.5毫米的漆包线绕45匝,要在第15匝、第30匝的地方把线折回一段朝一个方向扭几转,但不要把绕线弄断了。最后,在铁芯臂端放一块长方形铁条。

你可以把1100匝的线圈接到220伏的交流电源上,用交流伏特表测一下另一个线圈的15匝、30匝、45匝的电压,就会发现测得电压都比220伏的交流电压低得多。

我们把连接电源的线圈叫做原线圈(初级线圈),连接用电器的线圈叫做副线圈(次级线圈)。你们根据电磁感应原理可以知道:当原线圈通入交流电时,铁芯里就产生了变化的磁场,这种变化的磁场穿过副线圈,副线圈里就感应出交流电,在副线圈两端就产生出交变电压。

上面是变压器降压的小实验,下面做变压器升压的小实验:

用直径0.2毫米的漆包线,在方框形铁芯的一边上绕10匝,另一边上绕30匝(在20匝处抽出一个接头线),这又是一个变压器了。我们用它做升压实验,方法是:把这个升压变压器的初级线圈,跟前一个降压变压器的次级线圈相连接。然后把降压变压器的初级线圈接通220伏交流电,再用交流伏特表测升压变压器的初级线圈与次级线圈两端的电压。测量结果表明电压升高了。

变压器对于远距离输送电能有什么意义呢?

我们知道电流有热效应,输电导线发热必然要损失掉电能。要减少热效应带来的损失,一是要减少电阻——电阻小了就可以少发热,少损失电能。但是,这就要把电线做得粗粗的,既耗费大量金属材料,又给架设电线带来困难。这个方法不切实际。二是要减少电流——在导线电阻不变的情况下,电流强度减少到原来的百分之一,能量损耗就减少到原来的万分之一。我们可以用变压器来实现高压送电,减少电流强度,从而减少热效应带来的损失。另外,用电部门需要各种电压,电视机要1万伏,电动机需要380伏,由于变压器有升压降压的本领,能够很好地满足这些不同要求。

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