电磁学

在磁学教程中，我们简要地了解了永磁体如何在其周围从北极到南极产生磁场。

电磁力是所有其他力的基本力，这些力控制着原子和分子之间的相互作用，产生我们所知的电荷。

虽然永磁体产生了一个良好且有时非常强的静态磁场，但在某些应用中，这种磁场的强度仍然太弱，或者我们需要能够控制存在的磁通量。因此，为了产生更强且更可控的磁场，我们需要使用电力。

通过使用绕在软磁性材料（如铁芯）上的线圈，我们可以产生非常强的电磁铁，用于许多不同类型的电气应用。这种使用线圈的方式在电和磁之间产生了一种关系，这给了我们另一种形式的磁学，称为电磁学。

当电流通过简单导体（如一段电线或电缆）时，会产生电磁学，随着电流通过整个导体，沿着整个导体会产生一个磁场。在导体周围产生的小磁场有一个明确的方向，产生的“北极”和“南极”由通过导体的电流方向决定。

因此，有必要建立通过导体的电流与由此产生的围绕它的磁场之间的关系，使我们能够以电磁学的形式定义电和磁之间的关系。

我们已经确定，当电流通过导体时，会在其周围产生一个圆形电磁场，磁力线形成不交叉的完整环，围绕整个导体的长度。

这个磁场的旋转方向由通过导体的电流方向决定，产生的相应磁场在载流导体的中心附近更强。这是因为环的路径长度离导体越远，磁力线越弱，如下图所示。

导体周围的磁场

导体周围的磁场

木螺钉动作

确定导体周围磁场方向的一个简单方法是考虑将普通木螺钉拧入一张纸中。当木螺钉进入纸张时，旋转动作是顺时针的，因此在纸张上方可见的唯一部分是螺钉头。

如果木螺钉是pozidriv或philips类型的头设计，十字头将可见。这个十字头用于指示电流“流入”纸张并远离观察者的方向

同样，取出螺钉的动作是相反的，逆时针或反时针。当电流从顶部进入时，它因此离开纸张的下面。从下面可见的木螺钉的唯一部分是螺钉的尖端或点。这个点用于指示电流“流出”纸张并朝向观察者。

然后，将木螺钉拧入和拧出纸张的物理动作指示了导体中常规电流流动的方向，因此，围绕它的电磁场的旋转方向如下图所示。这个概念通常被称为右手螺旋动作。

右手螺旋动作

电磁学右手螺旋动作

磁场通常意味着两极的存在。一个被称为北极，另一个被称为南极。载流导体的极性可以通过绘制大写字母S和N来建立。如上图所示，在字母的自由端添加箭头将给出相应磁场方向的视觉表示。

另一个更熟悉的概念，它确定了电流流动的方向和围绕导体的磁通量的结果方向，被称为“左手定则”。

电磁学左手定则

电磁学的左手定则

磁场的公认方向是从其北极到南极。这个方向可以通过将载流导体握在左手中，拇指伸展指向电子流动的方向（从负到正）来推断。

手指横跨和围绕导体的位置现在将指向生成的磁力线的方向，如图所示。

如果通过导体的电子流动方向反转，左手需要放在导体的另一侧，拇指指向电子电流流动的新方向。

同样，当电流反转时，围绕导体产生的磁场方向也会反转，因为正如我们之前所说，磁场的方向取决于电流流动的方向。

这个“左手定则”也可以用于确定电磁线圈中磁极的磁方向。这次，手指指向电子流动的方向（从负到正），而伸展的拇指指示北极的方向。这个规则有一个变体，称为“右手定则”，它基于所谓的常规电流流动（正到负）。

考虑当一根直导线弯曲成单个环的形式时，如下图所示。虽然电流通过整个导线导体的长度在同一方向上流动，但它将通过纸张在相反方向上流动。这是因为电流在纸张的一侧离开并在另一侧进入，因此在纸张上产生一个顺时针场和一个逆时针场。

这两个导体之间的空间成为一个“强化”的磁场，力线以这样一种方式展开，它们呈现出条形磁铁的形式，在交叉点产生一个独特的北极和南极。

环周围的电磁学

环周围的电磁场

环周围的力线

环周围的力线

通过环的两个平行导体的电流方向相反，因为通过环的电流从左侧退出并从右侧返回。这导致环内每个导体周围的磁场彼此“相同”。

通过环流动的电流产生的力线在两个导体之间的空间中相互对立，其中两个相同的极相遇，从而变形每个导体周围的力线，如图所示。

然而，两个导体之间磁通量的变形导致在中间连接处的磁场强度增加，力线变得更紧密。这两个相同场之间的相互作用在两个导体之间产生了一个机械力，因为它们试图相互排斥。在电机中，这两个磁场的排斥产生运动。

然而，由于导体不能移动，因此这两个磁场通过在相互作用线上生成一个北极和一个南极来相互帮助。这导致磁场在两个导体之间的中间最强。导体周围的磁场强度与导体的距离和通过它的电流量成正比。

即使有高电流通过，围绕一段直载流导线产生的磁场也非常弱。然而，如果几圈导线沿着同一轴绕在一起形成一个线圈，产生的磁场将比单个环更集中和更强。这产生了一个更常见的电磁线圈，称为螺线管。

然后，当电流通过时，每一段导线都会在其周围产生电磁效应。磁场的方向取决于电流流动的方向。我们可以通过将导线绕成线圈来增加产生的磁场强度，我们将在下一个教程中更详细地了解这种效应。