电与磁

电与磁看似是两个独立的现象，却有着千丝万缕的联系。早在 19 世纪初，奥斯特发现电流能产生磁场，揭开了电与磁相互转化的序幕；随后法拉第发现了电磁感应——磁也能生电。这一章将带你认识磁现象、电生磁、电磁铁、电动机和磁生电，领略电磁世界的奇妙。

磁现象与磁场

磁体周围存在磁场，磁感线可以形象地描述磁场。地球本身就是一个大磁体，地磁场的存在引导着指南针指向南北。

电与磁的相互转化

奥斯特实验（电生磁）和法拉第电磁感应（磁生电）是电磁学的两大基石。通电导体在磁场中受力，则是电动机的原理。

电磁技术的应用

电磁铁、电磁继电器、电动机、发电机——这些电磁技术的应用深刻地改变了人类社会的生产和生活方式。

磁现象 磁场

磁现象

磁性：物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性（magnetism）。

磁体：具有磁性的物体叫做磁体（magnet）。磁体上磁性最强的部分叫做磁极（magnetic pole）。

磁极	特点
南极（S 极）	磁体静止时指南的一端
北极（N 极）	磁体静止时指北的一端

每个磁体都有两个磁极，磁极间的相互作用规律：

• 同名磁极相互排斥
• 异名磁极相互吸引

磁化：使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化（magnetization）。铁棒被磁化后，磁性可以长期保持，称为永磁体；而软铁棒被磁化后磁性容易消失。

磁场

磁场（magnetic field）是磁体周围存在的一种看不见、摸不着的特殊物质。

磁场的性质：磁场对放入其中的磁体产生力的作用。

磁场的方向：在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向。

磁感线

为了形象地描述磁场，我们引入了磁感线（magnetic field lines）——用一些带箭头的曲线来表示磁场的分布情况。

磁感线的特点：

• 磁感线上某点的切线方向就是该点的磁场方向
• 磁感线从磁体的N 极出发，回到S 极
• 磁感线是闭合的曲线
• 磁感线的疏密表示磁场的强弱——越密的地方磁场越强
• 磁感线不相交
• 磁感线是假想的曲线，实际并不存在

常见的磁体磁感线分布：

磁体类型	磁感线分布特点
条形磁体	N 极发出，回到 S 极，两端密中间疏
蹄形磁体	N 极发出，回到 S 极，两极之间近似平行
同名磁极	磁感线相互"排斥"弯曲
异名磁极	磁感线从 N 极直接连到 S 极

地磁场

地球是一个巨大的磁体，地球周围存在的磁场叫做地磁场（earth's magnetic field）。

地磁场的特点：

• 地磁场的形状与条形磁体的磁场相似
• 地磁场的南极在地理北极附近，地磁场的北极在地理南极附近
• 地磁场的南北极与地理南北极并不完全重合，存在一定夹角——磁偏角。我国宋代学者沈括最早发现了磁偏角

指南针

指南针是利用磁体在地磁场中受力而指示南北方向的装置，是中国古代四大发明之一。静止时，磁针的 S 极指向地理南极（即地磁北极附近），N 极指向地理北极（即地磁南极附近）。

电生磁

电流的磁效应——奥斯特实验

1820 年，丹麦物理学家奥斯特（Oersted）发现：通电导线周围存在磁场——这就是电流的磁效应（magnetic effect of electric current）。

实验情况	现象
导线通电	小磁针发生偏转
导线断电	小磁针回到原位
改变电流方向	小磁针偏转方向改变

奥斯特实验表明：

1. 通电导体周围存在磁场
2. 磁场的方向与电流的方向有关

这是历史上首次揭示了电与磁之间的联系，标志着电磁学的开端。

通电螺线管的磁场

螺线管（solenoid）是把导线绕成螺旋状的线圈。通电螺线管的磁场与条形磁体的磁场相似。

通电螺线管磁场的特点：

• 通电螺线管外部的磁场从 N 极出发，回到 S 极
• 内部磁场从 S 极指向 N 极，是匀强磁场
• 通电螺线管两端的极性由电流方向决定

安培定则

安培定则（Ampere's rule，又称右手螺旋定则）用来判断通电螺线管的磁极方向与电流方向的关系：

安培定则

用右手握住螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则拇指所指的那一端就是螺线管的 N 极。

电磁铁 电磁继电器

电磁铁

在螺线管中插入一个铁芯，在有电流通过时有较强的磁性、没有电流时就失去磁性，这样的装置叫做电磁铁（electromagnet）。

电磁铁与永磁体的对比：

对比项	电磁铁	永磁体
磁性有无	通断电控制	始终有磁性
磁极方向	可通过改变电流方向改变	固定不变
磁性强弱	可通过调节电流大小改变	固定不变
应用	电磁起重机、电铃、电磁继电器	指南针、扬声器

影响电磁铁磁性强弱的因素：

1. 电流大小：电流越大，磁性越强
2. 线圈匝数：匝数越多，磁性越强
3. 有无铁芯：插入铁芯后磁性大大增强

电磁继电器

电磁继电器（electromagnetic relay）是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关。

构造：电磁铁（线圈和铁芯）、衔铁、弹簧、触点（动触点和静触点）。

工作原理：当低压控制电路接通时，电磁铁产生磁性吸引衔铁，带动动触点与静触点接触，从而接通高压工作电路；当低压控制电路断开时，电磁铁失去磁性，弹簧将衔铁拉回，工作电路断开。

电磁继电器的应用：

• 低电压控制高电压——通过低压电路控制高压电路，保证操作安全
• 远距离控制——可以在远离现场的地方控制电路
• 自动控制——与传感器配合实现自动控制（如水位自动报警、温度自动控制）

电动机

磁场对电流的作用

通电导体在磁场中会受到力的作用。

条件	受力情况
导体方向与磁场方向不平行	导体受到力的作用
导体方向与磁场方向平行	导体不受力
改变电流方向	受力方向改变
改变磁场方向	受力方向改变

受力方向的决定因素： 通电导体在磁场中的受力方向与电流方向和磁场方向有关。

能量转化

电动机工作时，电能转化为机械能。

直流电动机

电动机（electric motor）是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的。

构造：主要由磁体、线圈、换向器（commutator）和电刷组成。

换向器的作用：当线圈刚转过平衡位置时，换向器自动改变线圈中的电流方向，使线圈能持续转动下去。

电动机的优点：

• 构造简单、体积小
• 控制方便（调节电流可调速，改变电流方向可反转）
• 效率高、无污染

磁生电

电磁感应——法拉第实验

1831 年，英国物理学家法拉第（Faraday）发现：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流。 这种现象叫做电磁感应（electromagnetic induction），产生的电流叫做感应电流（induced current）。

产生感应电流的条件：

1. 电路是闭合的
2. 导体做切割磁感线运动

影响感应电流方向的因素：

• 磁场方向——磁场方向改变，感应电流方向改变
• 导体运动方向——导体切割磁感线的方向改变，感应电流方向改变

影响感应电流大小的因素：

• 导体运动速度越快，感应电流越大
• 磁场越强，感应电流越大
• 线圈匝数越多，感应电流越大

能量转化

发电机工作时，机械能转化为电能。

发电机

发电机（generator）是利用电磁感应原理将机械能转化为电能的装置。

构造：主要由磁体、线圈、滑环和电刷组成。

交流电（alternating current, AC）：周期性改变方向的电流。我国电网以 50 Hz 的频率提供交流电，即电流方向每秒改变 100 次。

对比项	发电机	电动机
原理	电磁感应	通电线圈在磁场中受力转动
能量转化	机械能 → 电能	电能 → 机械能
构造差异	滑环（交流发电机）	换向器（直流电动机）

电磁感应的应用

• 发电机——火力发电、水力发电、风力发电、核能发电
• 动圈式话筒——声波使膜片振动，带动线圈在磁场中振动，产生感应电流
• 磁带录音机——录音时电生磁（磁化磁带），放音时磁生电（电磁感应）

实验探究

来自 PhET 的在线仿真实验

• 磁铁与电磁铁 — 探究磁铁的磁场和通电螺线管的磁场
• 发电机 — 探究发电机的结构和工作原理

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速记

• 磁极作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引
• 磁感线：从 N 极出发回到 S 极，切线方向 = 磁场方向
• 地磁场：地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近
• 奥斯特实验：通电导体周围存在磁场——电生磁
• 安培定则：右手握螺线管，四指电流方向，拇指 N 极
• 电磁铁：螺线管 + 铁芯，电流越大磁性越强，匝数越多磁性越强
• 电磁继电器：电磁铁控制工作电路通断的开关
• 电动机：通电线圈在磁场中受力转动，电能 → 机械能，用换向器持续转动
• 电磁感应：闭合电路切割磁感线产生感应电流——磁生电
• 发电机：电磁感应原理，机械能 → 电能