電機的旋轉(zhuǎn)原理

 

01 電流、磁場和力

 

首先，為了便于后續(xù)電機原理說明，我們來回顧一下有關(guān)電流、磁場和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺，但如果平時不常使用磁性元器件，就很容易忘記這些知識。

 

 

02 旋轉(zhuǎn)原理詳解

 

下面介紹一下電機的旋轉(zhuǎn)原理。我們結(jié)合圖片和公式來說明。

 

當導線框為矩形時，要考慮到作用在電流上的力。

 

 

作用于邊a、c部分的力F為：

 

 

產(chǎn)生以中心軸為心軸的轉(zhuǎn)矩。

 

例如，當考慮到旋轉(zhuǎn)角度僅為θ的狀態(tài)時，與b和d成直角作用的力為sinθ，因此a部分的轉(zhuǎn)矩Ta由以下公式表示：

 

 

以相同的方式考慮c部分，則轉(zhuǎn)矩加倍，并生成由以下公式計算出來的轉(zhuǎn)矩：

 

 

由于矩形的面積為S＝h?l，因此將其代入上述公式可得出以下結(jié)果：

 

 

該公式不僅適用于矩形，也適用于圓形等其他常見形狀。電機就是利用了該原理。

 

關(guān)鍵要點：

 

電機的旋轉(zhuǎn)原理遵循電流、磁場和力相關(guān)的定律（法則）。

 

電機的發(fā)電原理

 

下面將介紹電機的發(fā)電原理。

 

如上所述，電機是將電能轉(zhuǎn)換為動力的設備，可以通過利用磁場和電流相互作用所產(chǎn)生的力來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。其實，反之，電機也能夠通過電磁感應將機械能（運動）轉(zhuǎn)換為電能。換個角度說，電機具有發(fā)電作用。提到發(fā)電，您可能就會想到發(fā)電機（也稱為“Dynamo”、“Alternator”、“Generator”、“交流發(fā)電機”等），但是其原理與電機相同，并且基本結(jié)構(gòu)相似。簡而言之，電機可以通過使電流流經(jīng)引腳而獲得旋轉(zhuǎn)運動，相反，當電機的軸旋轉(zhuǎn)時，在引腳之間會有電流流過。

 

01 電機的發(fā)電作用

 

如前所述，電機的發(fā)電依賴于電磁感應。以下是相關(guān)定律（法則）和發(fā)電作用的圖示。

 

 

左圖顯示電流按照弗萊明右手定則流動。通過導線在磁通中的運動，在導線中產(chǎn)生電動勢并且有電流流動。

 

中間的圖和右圖表示按照法拉第定律和楞次定律，當磁鐵（磁通）靠近或遠離線圈時，電流沿不同的方向流動。

 

我們將在此基礎(chǔ)上來解釋發(fā)電原理。

 

02 發(fā)電原理詳解

 

假設面積為S（＝l×h）的線圈在均勻磁場中以ω的角速度旋轉(zhuǎn)。

 

 

此時，假設線圈表面的平行方向（中間圖中的黃線）和相對于磁通密度方向的垂直線（黑色虛線）形成角度為θ（=ωt），則穿透線圈的磁通量Φ由下式表示：

 

 

另外，通過電磁感應在線圈中產(chǎn)生的感應電動勢E如下：

 

 

當線圈表面的平行方向垂直于磁通方向時，電動勢變?yōu)榱?，而水平時電動勢的絕對值最大。

 

這樣，電機就具備了發(fā)電作用。我在這里說明的是電機具有旋轉(zhuǎn)動作和發(fā)電作用，并不意味著要將電機用于發(fā)電。如果要發(fā)電，通常使用專為發(fā)電進行了優(yōu)化的發(fā)電機。

 

關(guān)鍵要點：

 

電機的發(fā)電作用與旋轉(zhuǎn)動作一樣，遵循電流、磁場和力的定律（法則）。電機通過電磁感應將機械能（運動）轉(zhuǎn)換為電能。

 

 

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