電氣設計中常見的電磁技術，你了解多少？

本文轉載自： 得捷電子DigiKey

你是否曾經想過電機是如何工作的？你是否曾經想過繼電器是如何工作的？這些產品都有一個共同之處，就是都采用了電磁技術。

在許多應用中，電磁是電氣設計中一個關鍵因素。本文旨在幫助你認識和理解導體周圍磁場形成的基本概念。本文將不涉及計算部分，因為那屬于進階部分，不過以下示例應該對你從頭理解并正確使用電磁技術有所幫助。

電磁技術的基本概念

電磁

通過導電材料的電流產生的磁場，垂直于根據“右手法則”確定的電流流動的方向。導線的兩種“初級”形狀對應著不同的解釋，一種是直線導線，另一種是線圈導線。

直線

下圖是直線導線的直觀示例。

如果你用右手“握住”電線，想象電流朝著拇指方向流動，則磁場會在三維空間中圍繞導線形成；磁場的方向和形狀與其他四根手指在電線周圍卷曲的方式相同。為展示這一效果，我制作了一個簡短的動畫，可幫助你理解：

磁場不僅在特定方向上圍繞在導線周圍，還會從中心“擴展”，強度也逐漸降低。如果在灰色平面處放置一個鐵磁針，則磁場的“北”極將會被吸引到地球的南極。

注意：只要電流流過整根導線，磁場就會在導線周圍蔓延開來。

線圈

線圈是由許多順時針或逆時針旋轉的“環”組成的。環路在制造電磁鐵時特別有用，因為電流從一個方向流入并從另一個方向流出，進而產生相反方向旋轉的磁場。當磁場相互作用時，由于兩個磁場均指向相同的相對方向，因此可以增強中心磁場。為了更好地解釋這一現象，請參見以下示意圖：

注意，磁場箭頭在灰色平面上以相同的相對方向在中心處相交。由于這些磁場非常接近，因此可增加中心合成磁場的強度。這一特性在數個環路中表現得更加強大，例如電感、機械繼電器和變壓器等技術中使用的線圈。

下圖是線圈的直觀示例。

繞線通常纏繞在具有高磁導性的鐵磁芯或材料上。這一次，假設你握著周圍纏繞著電線的固體材料。圍繞在“棒”周圍的四根手指代表線圈和電流流動的方向。拇指表示北極的位置以及磁場從最接近拇指的一端出來的方向。下圖更加詳細地展示了順時針線圈和逆時針線圈。

藍色線表示線圈彎曲處的較小磁場。注意順時針方向的磁場都是從上到下指向線圈中心的。反之，逆時針線圈的磁場則從下到上指向中心。再次說明，磁場實際上是360度圍繞整個線圈的。它們也向外輻射，但強度會逐漸降低。以下是另一個顯示此特性的動畫：

當電流方向反轉時，磁場的極性就會切換：

電磁技術示例

以下是四種涉及電磁的技術示例。

變壓器

變壓器會使用不同數量環（匝數比）的組合以及一側產生的磁場。由于交流電流每秒會在正負極間波動60次（美國）或50次（歐洲），因此一側產生的磁場的極性會不斷變化且強度也在增加/減少。改變的磁場到達另一個線圈時，會“感應”出不同電平的電壓（取決于該線圈的匝數）。

機械繼電器

機械繼電器則以非常直接的方式利用磁場的極化。由于線圈的北極具有確定的方向（根據電流方向和繞組方向），因此這種磁場可用于下拉通常能導通更大電流（比線圈大得多）的鐵磁連接頭（加載到線圈的電流和跨連接頭的電流是隔離的）。這就是為什么幾乎總會有圖片顯示線圈的哪一側應通電（對于直流繼電器），因為電流方向是正確致動的關鍵因素。

電感

電感的一個關鍵特性是回沖。電感內部和周圍產生的磁場會存儲能量，并且在快速斷電的情況下，會在連接的電路上以非常高的電壓釋放能量。如需了解更多詳情，請參見此貼文：電感特性：為什么朝向不重要。

電機

電機一般（無論交流或直流）都會基于磁場進而運轉。在直流有刷電機中，定子（不移動的部件）具有稱為電刷的電連接，可向具有線圈的轉子（動的部件）提供電流。由電產生的磁場被內部的永磁體排斥，從而產生轉動。交流電機具有若干種方法，但一般的概念是相同的，即，電能產生的磁場被其他磁體排斥。

審核編輯 黃宇