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電機如何從楞次定律到反電動(dòng)勢來(lái)實(shí)現了的運轉?

文章出處:漢德保(HDB MOTOR)電機 人氣:6352發(fā)表時(shí)間:2020-10-20
楞次定律是以1834年物理學(xué)家埃米爾·楞次(Emil Lenz)的名字命名的,他在1834年提出了這一定律指出,在導體中,由變化的磁場(chǎng)感應的電流的方向是,由感應電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與初始變化的磁場(chǎng)相反。這是一個(gè)定性定律,它規定了感應電流的方向,但對其大小卻只字不提。Lenz定律解釋了電磁學(xué)中許多效應的方向,如電流變化在電感器或導線(xiàn)回路中感應的電壓方向,或在磁場(chǎng)中作用在運動(dòng)物體上的渦流阻力。
電機如何從楞次定律到反電動(dòng)勢來(lái)實(shí)現了的運轉?
安培定則告訴了我們,電能的流動(dòng)會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng),因此將線(xiàn)圈通電后,會(huì )依照安培右手定則產(chǎn)生N極或是S極的磁場(chǎng);也就是電能可以轉換產(chǎn)生磁能。
牛頓運動(dòng)定律中有一個(gè)法則稱(chēng)之為”動(dòng)者恒動(dòng),靜者恒靜”,它描述了一個(gè)有趣的物理現象,在物理界中的一切都喜歡維持既有狀態(tài);在動(dòng)力學(xué)中,這種維持既有狀態(tài)的能量又稱(chēng)為電勢能,想要改變既有狀態(tài),則必須施加外來(lái)能量的沖擊,且要大于原本電勢能的大小,稱(chēng)之為平衡。一但突破了平衡,物理的形態(tài)就改變了,成為了一種新的既有狀態(tài),就是有個(gè)物體不動(dòng),處于既有的電勢能狀態(tài),你花了力量推它之后,突破它原有的平衡,一但它開(kāi)始移動(dòng)后,移動(dòng)成為了另一種既有狀態(tài),則還需要有額外的能量來(lái)改變它,才會(huì )再次改變形態(tài)。
將上述兩種物理現象結合后,安培定則及牛頓運動(dòng)定律,就變成了楞次定律,其產(chǎn)生的基本方式描述如下,將磁鐵接近一組線(xiàn)圈就如同下圖所示,這因物理現象希望這兩物體間能維持前一既有位置關(guān)系,當把磁鐵往線(xiàn)圈靠近時(shí),線(xiàn)圈會(huì )主動(dòng)感應排斥力的磁極,好讓兩物體還是能維持相同的距離。反之,若磁鐵是要受到外力影響產(chǎn)生要遠離的力量,則線(xiàn)圈會(huì )主動(dòng)感應出吸引的磁力,好讓兩物體維持相同的距離。

以更白的話(huà)說(shuō)來(lái),就是兩人很有默契地維持同樣的距離,當一方要靠近,則另一方就產(chǎn)生排斥力,不讓你過(guò)來(lái);但一方想要離開(kāi)時(shí),另一方又產(chǎn)生吸引力,想要把你吸回來(lái),這種盡可能維持相同距離的關(guān)系,就是牛頓運動(dòng)定律中的”動(dòng)者恒動(dòng),靜者恒靜”的道理。又由于作用的是磁能與電能間的關(guān)系,所以會(huì )依賴(lài)安培定則,這將這兩者合并所產(chǎn)生出來(lái)的電能與磁能的感應關(guān)系,就是楞次定律。

楞次定律的解釋實(shí)驗中,最有趣的是一種稱(chēng)之為安哥拉圓盤(pán)(Arago’s disk)的實(shí)驗,是利用磁鐵帶動(dòng)鋁盤(pán)移動(dòng)的裝置。實(shí)驗一開(kāi)始會(huì )先用磁鐵去吸鋁盤(pán),然而鋁材并不導磁,所以並不會(huì )被磁鐵吸附住,當磁鐵于鋁盤(pán)上快速移動(dòng)時(shí),鋁盤(pán)就像是被磁鐵吸住而跟著(zhù)跑一樣,其原因就是楞次定律,因為鋁材雖然不導磁,但會(huì )導電,因此磁鐵靠近時(shí),鋁盤(pán)為了維持原本的距離關(guān)系,需要排斥力作用,而在鋁盤(pán)上感應生成了電流,產(chǎn)生磁力。我們已經(jīng)知道當磁鐵靠近鋁盤(pán),則鋁盤(pán)會(huì )感應電流產(chǎn)生磁極排斥力。
電機如何從楞次定律到反電動(dòng)勢來(lái)實(shí)現了的運轉?
此時(shí)將磁鐵順著(zhù)鋁盤(pán)圓周宜動(dòng),則會(huì )順著(zhù)移動(dòng)方向的前方產(chǎn)生排斥磁極,后方則因此磁鐵要離開(kāi),改為形成吸力磁極。
電機如何從楞次定律到反電動(dòng)勢來(lái)實(shí)現了的運轉?
則鋁盤(pán)受到感應磁力的作用,而被磁鐵拖著(zhù)跑,就像鋁盤(pán)忽然具有導磁能力,被磁鐵帶著(zhù)跑的情況一樣。
電機如何從楞次定律到反電動(dòng)勢來(lái)實(shí)現了的運轉?
將安哥拉圓盤(pán)(Arago disk)的理論延伸應用,且可說(shuō)是楞次定律最具代表性的作品,那就是感應電機了。感應電機的名稱(chēng)取得十分貼切,表明了這類(lèi)型的電機磁力的產(chǎn)生是依靠感應而來(lái)的,但也是因為這感應的作用是需要時(shí)間來(lái)反應生成的,所以感應電機是一種非同步電機,也就是電源切換的頻率與轉速會(huì )有差異,在感應電機中的專(zhuān)業(yè)名詞稱(chēng)為”異步”或“滑差”。楞次定律其實(shí)解釋了發(fā)電機的原理,是由磁能狀態(tài)的變化,來(lái)產(chǎn)生相對應的電能來(lái)抵制磁能的變化。也是一種極能代表楞次定律的應用例子。也因此在永磁電機中,當有一外力帶動(dòng)電機轉子旋轉時(shí),于定子線(xiàn)圈上會(huì )量到電壓及電流值,在永磁電機中稱(chēng)為反電動(dòng)勢。其實(shí)也就是線(xiàn)圈感應到磁鐵接近或離開(kāi)時(shí),自動(dòng)感應出電能,想要抵抗磁能變化的能量。

結論

牛頓運動(dòng)定律也告知”作用力等于反作用力”,也就是兩物體間瞬間要變化的情況越激烈,則產(chǎn)生的抵抗力也就越大。在楞次定律的實(shí)驗中可以發(fā)現,磁鐵移動(dòng)的速度越快,則產(chǎn)生的電能就越大,而且移動(dòng)的速度也就越快;磁鐵選擇磁力越強的,也會(huì )產(chǎn)生相同的效果。兩著(zhù)合并起來(lái)解釋就是,單位磁間內磁能變化幅度越大,則感應出的電能亦越大。若要讓永磁電機的極速拉高,則磁鐵的磁力要變小,反電動(dòng)勢會(huì )抵抗輸入電壓,所以要降低反電動(dòng)勢的電壓值,就必需降低磁能的變化幅度,才能讓電機轉得更快,這原則也造就了弱磁控制的方法,來(lái)延伸電機極速范圍。


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