电磁学学习笔记：从基础概念到实际应用
电磁学学习笔记：从基础概念到实际应用
本文是一篇详细的电磁学学习笔记，涵盖了从基本概念到实际应用的全面知识体系。通过本文，读者可以系统地了解磁体、磁场、电生磁、电磁铁、电动机、磁生电以及家庭电路等核心知识点。
磁体
定义：能够产生磁场的物质或材料
- 磁体可以吸引铁，钴，镍等物质，这种性质叫磁性（不能吸引铝，铁钴镍等称为磁性材料）
- 磁体上磁性最强的部分叫磁极，条形磁铁的两段是它的磁极。
- 磁体具有两极性、指向性如果把一个磁体悬挂起来，静止后指向北极的叫北极（N极），指向南极的叫南极（S极），任何磁体都- 有两个磁极，如果把一个磁体斩断，两个小磁体仍然具有 N极、S极，以条形磁铁（左 N 右 S）为例，如果从中间斩断，左边磁体的左端是 N极，右端是 S 极，右边磁体一样。
- 磁体之间吸引或排斥的力叫磁力，磁体间的相互作用规律为：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。
几种常见磁体图片:
磁化：使原来没有磁性的物体得到磁性的过程
铁不能长久保持磁性，钢可以长久保持磁性，像铁这样不能长久保持磁性的物质称为软磁体，钢这样可以长久保持磁性的称为硬磁体。
磁化的方法：
接触或靠近磁体
用磁体在钢棒上沿同一方向摩擦几次
磁性强的磁体可以磁化磁性弱的物体
判断物体是否具有磁性：
能吸引磁性材料
指向性
同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引
磁极处磁性最强，中间磁性最弱（将要检测的物体放在已知磁体中间，若能吸引呢一定有磁性）
磁场
磁体的周围存在磁场，处在磁场中的磁体会受到磁力。磁场有方向，规定小磁针静止时北极所指的方向为其所处磁场的方向，在磁体周围的不同位置，磁场方向不同。
如上图，在有机玻璃板上均匀地撒上细铁屑，然后把玻璃板放在磁体上，轻敲玻璃板，铁屑在磁场中被磁化，成了很小的磁针所以铁屑的排列可以形象地显示出各点的磁场分布。
为了形象地描述磁体周围的磁场分布，英国物理学家法拉第引入了磁感线模型，磁感线是仿照铁屑的排列情况画出的一些带箭头的曲线，下图是用磁感线描述的条形磁体和蹄形磁体的磁场图示，磁感线的箭头表示方向。
磁感线的特点：
从 N 极出发，回到 S 极
磁感线上某一点切线的方向表示该点的磁场方向
磁感线密的地方磁场强，疏的地方磁场弱
磁感线互相不交叉
磁感线不存在，磁场是真实存在的
地球也是一个磁体，其产生的磁场叫地磁场，许多天体都有磁场。
通电导线在磁场中会受到力的作用，力的方向与电流方向及磁场方向有关
电生磁
通电导线周围会存在磁场，方向与电流方向有关，故称为电流的磁场，也被称为电流的磁效应，说明了电能生磁，直线电流磁场的磁感线是环绕导线的同心圆，距离导线越近，磁场越强，反之越弱。立体空间中，磁感线都在与导线垂直的平面上。
电流越大，磁场越强
螺线管：将导线绕在圆筒上制成的线圈。
增强磁场：带铁芯的通电螺线管的磁性比不带铁芯的要强得多，这是因为铁芯被磁化后相当于一根磁体，也有磁场，磁场相叠加就会产生更强的磁场，带有铁芯的通电螺线管叫做电磁铁。
改变电流方向，螺线管的磁极也会发生改变。
通电螺线管的磁极和电流方向之间的关系可以用右手螺旋定则（安培定则）来判定，如图所示，通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向直导线中电流方向，那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向；通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的 N 极。
通电直导线：
通电螺线管：
左手定则：让左手大拇指与四指垂直，磁感线穿过手心，四指方向为电流方向，大拇指方向为力的方向。
注：当电流方向和磁感线方向平行时，导体不受磁场作用（此时左手无法正常摆放）
电磁铁
原理：电生磁
结构：螺线管+铁芯（工作原理：螺线管通电后磁性增强，磁化了铁芯，磁场叠加，磁性增强）
电磁铁磁性大小影响因素：
铁芯的有无：插入铁芯可增强螺线管的磁性
电流的大小：电流越大磁性越强
线圈的匝数：匝数越多磁性越强
应用：
- 电磁继电器：
若在高压电路中接入开关，电流很大，非常危险，而若使用继电器，闭合开关前上方触点（黑色两点）与下方不接触，闭合开关后电磁铁有磁性，吸引衔铁向下，触点与下方接触，相当于开关闭合。这样设计较为安全。
电铃
开关闭合后电磁铁吸引衔铁，小锤敲击铃碗发声。弹性片与螺钉分离导致断电电磁铁失去磁性，弹性片又与螺钉接触通电，循环往复。
信息的磁记录
录入：声信号 -> 电信号 -> 磁信号
读取：磁信号 -> 电信号 -> 声信号
电话
话筒：声信号 -> 电信号
听筒：电信号 -> 磁信号 -> 声信号
电动机
工作原理：通电线圈能在磁场中转动
直导线运动一段距离就会离开磁场，很难持续运动，为此可以把直导线缠绕成线圈，会产生如下现象：
当线圈如上图所示时，磁感线水平向左，根据左手定则可知 ab 受向上的力，cd 受向下的力，bc、ad 的电流方向与磁感线平行，不受力，故线圈顺时针转动
转到上图位置时，线圈受力平衡，称为平衡位置，由于惯性，线圈还会继续转动。
从而线圈会如图所示逆时针转动。
最终转到平衡位置。
可见通电线圈并不能持续转动，我们可以设法使线圈在因惯性转过平衡位置时改变电流方向，从而改变线圈的受力方向，使线圈仍然受到顺时针方向转动的力的作用，实现上，可以安装一个由两个铜制半环组成的“换向器”，这便是直流电动机的原理.
直流电动机的结构：
换向器可以使电流方向发生改变。
电动机的能量转化：电能 -> 机械能
磁生电
电磁感应：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体就会产生电流，产生的电流叫感应电流。
感应电流的方向和导体运动的方向和磁场方向有关，若电路不闭合，导体做切割磁感线运动时，导体中不会产生感应电流，但在导体两段会有感应电压。（闭合时也有感应电压）
电磁感应现象中，导体切割磁感线时消耗了机械能，在闭合电路中产生了电能，实现了机械能向电能的转化。
发电机
原理：电磁感应
作用：机械能 -> 电能
手摇发电机：转动手柄使线圈转动，切割磁感线，产生电流。
手摇发电机发出的是一种大小和方向都发生周期性变化的电流，叫做交流电，普通电池产生的电流方向是不变的，叫做直流电。交流电的周期是 0.02 秒，频率为 50 Hz，发电机转一周方向改变两次，每秒改变 100 次。
交流发电机 -> 直流发电机：+ 换向器
原理图：
上图中，转子为线圈，定子为磁体，铜环(C、D) 和电刷 (A、B) 把线圈产生的电输送给用电器
小型发电机：磁极不动，线圈旋转
大型发电机：线圈不动，磁极旋转
电动机和发电机结构上本质是一致的，电动机也可以用来做发电机。
家庭电路
家庭电路由进户线、电能表、总开关、保险装置、用电器、导线等组成。
进户线有两根，分为火线和零线，火线和零线之间的电压为 220V，判断火线和零线可用测电笔，测电笔的结构和使用如图所示：
电能表用来测量电路消耗的电能
电路短路或同时接入过多用电器时，会导致电流电流过大，电线过热，存在安全隐患，常见的保护装置有熔断器和断路器，熔断器一般有封闭管式熔断器和敞开插入式熔断器，封闭管式的保险丝在玻璃管内，敞开插入式的在盒盖上，电路电流过大时，保险丝自动熔断，形成断路，需要等排除故障并换上新保险丝后才能使电路继续工作。
家庭中常用断路器替代闸刀开关和熔断器，其一侧练在火线上，当电流超过额定电流时就会断开
插座：分为两孔式和三孔式，两孔式一个插在火线上，一个插在零线上，把两脚电源插入插孔就可以工作了。三孔式除了火线和零线外还有一个中间插孔，与大地相连，故称为接地孔。三脚插头插入三孔式插座时用电器的外壳就与大地相连了，这时万一用电器火线的绝缘层被破坏，火线与金属壳接触，接地线也可防止人触碰时电流通过人体留向大地，发生触电事故。因此，接地线是用电器的安全线。
触电事故：触电指人体的电流达到一定值而对人体造成的伤害时光，通过人体的电流越大，人从接触到死亡的时间就越短，一般情况下 36V 的电压是安全的，潮湿环境中可能在 24V 甚至 12V 以下。
我国家庭电路电压为 220V，动力电路电压为 380V