§16-3　作用于感生电流上的力

你也许曾经见过利用如图16-7所示的那种装置来戏剧性地演示楞次法则。这是一个电磁铁，非常像图16-5中的线圈a，一个铝质圆环放在电磁铁的顶端。当闭合开关使线圈连接至一交流发电机时，这个环就飞向空中。当然，力来自环中的感生电流。环会飞开这一事实表明，环里的电流反抗穿过其中的磁场的变化。当电磁铁正在其顶端形成北极时，在环里的感生电流正在形成一个朝下的北极。环与线圈犹如两块同极磁铁那样互相排斥，但如果在环里制造一个狭窄的径向裂缝，力就会消失，这表明力确实来自环中的电流。

如果不采用圆环而改用一个铝盘或铜盘横放在图16-7中磁铁上端，它也被推开；感生电流在盘的材料里形成环流，再度产生了排斥作用。

图16-7　一个导电环会被一块通有变化电流的电磁铁强烈推开

其根源与此相类似的一个重要的效应发生在一片理想的导体中。要知道，理想导体无论对于什么电流都不会有电阻，所以如果电流一旦在其中产生，它们就能够永远保持下去。事实上，一个最微小 的电动势都会产生一个任意大的电流——这实际上意味着完全可以没有电动势。任何要把磁通量送进这样一片理想导体里的尝试都产生引起相反B场的电流——所有这一切都由于无限小的电动势，因而没有磁通量进入理想导体中。

如果有一片理想导体并把一块电磁铁放在其附近，则当我们接通电磁铁的电流时，被叫作涡流的那种电流会出现在该片导体里，使得磁场不能进入其中。场线看来会像图16-8所示。当然，如果把一条形磁铁移近一理想导体，这同样的情况也会发生。由于涡流正在产生相反的磁场，磁铁就受到导体的排斥。这样就有可能让一条形磁铁悬浮在形状有点像个盘子那样的理想导体片之上，情形如图16-9所示。这磁铁受到理想导体里感生涡流的排斥而被悬浮于空中。在通常温度下不存在理想导体，但某些材料在足够低的温度下会变成理想导体。例如，在3.8K以下的锡，导电就十分完美。它被称为超导体。

图16-8　靠近一块理想导电板的电磁铁	图16-9　由于受到涡流排斥，一根条形磁铁会悬浮在一个超导体碗上面

如果图16-8中的那块导体不是很理想的导体，则对于涡流的流动会有一些阻力。电流将逐渐消失而磁铁便将慢慢落下。在一非理想导体中，涡流需要电动势来维持，而要有电动势，通量必须保持不断变化。这样，磁通量就会逐渐透入导体中去。

在正常导体中，来自涡流的不仅有推斥力，而且也可能有侧向力。例如，若把一块磁铁沿导体表面向旁边移动，则涡流将产生一个阻力，因为这些感生电流正在反抗通量配置的变化。这种力的大小与速度成正比，像一种黏性力。

这些效应在图16-10所示的仪器中得到令人满意的表现。一块方形铜片悬挂在一根棒的下端而构成一个摆。这铜片在一电磁铁的两极间来回摆动。当电磁铁的电流接通时，摆动突然被抑制。这块金属板当进入电磁铁的缝隙中时，板里就有感生电流，它起着抗拒通过该板磁通量变化的作用。假若该板是理想导体，即其中电流会大到足以将板重新推出去——即它会反弹回去。若采用的是一块铜板，由于板里有一些电阻，因而当它开始进入磁场中时，板中的电流将先把该板阻止到几乎停止运动的地步。然后，当电流降低时，板就会在磁场中缓慢地降到静止。

图16-10　摆的制动表明有起因于涡流的力

铜摆中涡流的性质如图16-11所示。这种电流的强度及几何图形对板的形状很敏感。例如，若像图16-12所示，用一块中间割成几条狭槽的铜板来代替原来的铜板，则涡流效应会剧烈地减弱。摆通过磁场摆动，仅有一微小的阻尼力。原因是：在铜板的每个截面内激励电流的磁通量减少了，因而使每个回路电阻的作用增大。电流变小而阻力也就小了。如果把一块铜板放在图16-10的磁铁两极间然后释放，则力的黏滞特性还会看得更加清楚。铜板不会掉落下来，只是缓慢地下沉。涡流对该运动会施加一个强大阻力——就像蜂蜜中的黏性阻力一样。

图16-11　铜摆中的涡流	图16-12　在铜板中割出一些狭槽，涡流效应会剧烈下降

如果不是将一块导体拉着经过磁铁，而是在磁场中尝试转动导体，则将有来自同样效应的抵抗力矩。反之，若在导电板或导电环附近旋转一块磁铁，则板或环将被拖着在一起旋转，板或环里的电流将产生一个倾向于使其跟随磁铁旋转的力矩。

图16-13　构成一个旋转磁场

一个恰好像那转动磁铁的磁场可以用如图16-13所示的那种排列的线圈来完成。我们取一个铁环（也就是一个像炸面圈那样的铁环）并绕上六个线圈。如果如图（a）所示使（1）和（4）两绕组通有电流，就会有一个如图所示方向的磁场。现在若把电流转移到（2）和（5）两绕组上，则磁场将指向图（b）所示的新方向。继续这个步骤，便会得到图上其他部分所示的磁场顺序。倘若这一过程顺利地进行，就会有一“旋转”磁场了。把各线圈连接至一套三相电源线上就能轻易地获得所需的电流顺序，因为三相电源线正好提供这种电流。“三相电源”是利用图16-1的原理在一部发电机中形成的，只是有三个 回路以对称的方式一起固定在同一根轴上——也就是说，一个回路与邻近的一个回路之间要相隔120°。当各回路作为整体旋转时，先是在一个线圈中的电动势为极大，然后在下一个线圈中达到极大，以此类推。三相电源有许多实际优点，其中之一就是可能造成一个旋转磁场。由这种旋转磁场在导体中所产生的力矩可轻易地由刚好在铁环上面的绝缘台上一个竖立的金属环来演示，如图16-14所示。这旋转磁场会引起该导电环绕着一根垂直轴线旋转。在这里看到其基本原理与在一部大型商用三相感应电动机中实际上起作用的原理完全相同。

图16-14　图16-13中的旋转磁场可用来对一个导电环提供力矩

感应电动机的另一种形式如图16-15所示。这里所示的配置对一部实用的高效率电动机虽不适用，但能说明原理。电磁铁M由一捆多层铁片和在其外面绕着的螺线管式线圈构成，用一部发电机的交变电流来提供动力。这电磁铁会产生一个穿过该铝盘的变化着的B通量。但如果我们仅仅有这两个部件，如图（a）中所示的，则还不能构成一部电动机。盘中虽然有了涡流，但它们是对称的，因而不会产生任何力矩（由于这些感生电流，盘里多少总会发生一些热）。现在若用一个铝板刚好遮盖磁极的一半，如图（b）所示，则盘便将开始转动，而我们便有一部电动机。这种运转有赖于两个 涡流效应。首先，在铝板中的涡流抗拒着穿过它的通量变化，因而在这块板上面的磁场就总会落后于不受遮盖的一半磁极在上面产生的磁场。这种所谓“屏蔽磁极”效应在那“被屏蔽”区中会产生一个其变化非常像在“非屏蔽”区中的磁场，只不过在时间上被延迟了一个恒定的值。整个效应就像只有一半宽的一块磁铁不断从非屏蔽区移至屏蔽区。于是，这些正在变化着的磁场就会与铝盘中的涡流互相作用而产生一个作用于铝盘上的力矩。

图16-15　磁极屏蔽式感应电动机的一个简单例子