第七章--电及磁.doc

第一步 电的基础知识
第七章  电和磁（一）

1．电和磁之间有联系吗？

2．电磁铁和电磁继电器的原理是什么？它们有哪些应用？

一、简单的磁现象

磁铁吸铁，磁针指南北，这类简单磁现象你在小学自然课里已经学过了．图11—1至图11—4所示的现象，可以帮助你回忆起学过的知识．

■图 11—1磁铁能吸引铁、钴、镍等物质，磁铁的这种性质叫做磁性．具有磁性的物质叫做磁体．磁体能吸引铜吗？试试看．

■图11—2磁体各部分的磁性强弱不同，条形磁体两端的磁性最强．磁体上磁性最强的部分叫做磁极．你是根据什么现象判断磁性强弱的？

人类最先认识的磁体是天然的铁矿石，叫做天然磁体．后来又学会了自制人造磁体．通常我们看到的蹄形磁体、条形磁体、磁针都是人造磁体．天然磁体和人造磁体都能够长期保持磁性，通称永磁体．人造磁体是根据什么道理制作的呢？

■图11—3可以在水平面内自由转动的条形磁体或磁针，静止后总是一个磁极指南，另一个指北，指南的磁极叫南极（S极），指北的叫北极（N极）．磁针指南北，世界各地都是如此，这是怎么回事？

■图11—4同名磁极互相排斥，异名磁极相互吸引．

? 给你一根普通的钢针，没有磁性，你能不能设法把这根钢针变成磁针？

实验 把条形磁体的一端靠近一根原来没有磁性的铁棒，观察所发生的现象．

用什么办法可以判断磁化后软铁棒的极性？铜棒能不能磁化？试试看．

我们看到，铁棒获得了磁性，吸起了下面的铁屑．这种使原来没有磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化．铁或钢制的物体都能被磁化．

铁棒被磁化后，磁性很容易消失，称为软磁体．钢棒被磁化后，磁性能够长期保持，称为硬磁体或永磁体．因此钢是制造永磁体的好材料．除了铁、钴、镍外，近几十年来，科学家还制出多种具有软磁性、硬磁性或其他电磁特性的材料，它们大多数是含铁、钴、镍的合金或铁和其他金属的氧化物，统称为磁性材料．磁性材料已经在现代生活和科学技术中有广泛的应用（图11—6），研制新的磁性材料及其应用，是现代高科技的一个重要方面．

■

甲：用于增加电机内磁场的铁心

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乙：用于记录语音、音乐、图像信息的磁带

■

丙：广泛用于计算机的磁性存储设备

■

丁：作为乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡

图11—6磁性材料的广泛应用

二、磁场和磁感线

实验 先在桌上放一圈小磁针，再把一个条形磁体放到小磁针中间，观察小磁针的指向有什么变化．

实验结果如图11—7所示，小磁针静止时都不再指南北，而有了新的指向．这是怎么回事？

■图11—7磁体周围存在磁场

磁场 原来在磁体周围存在着磁场，小磁针是受到磁场的磁力作用，才具有新的指向的．磁场是看不见、摸不到的，但人们却可以根据它所表现出来的性质来认识它，研究它．磁场的基本性质是它对放入其中的磁体产生磁力的作用，磁体间的相互作用就是通过磁场而发生的．看不见、摸不到的东西，却可以认识它，研究它，这正是科学的力量所在．

在图11—7中，小磁针在磁场中停在一定方向，这显示出磁场的方向性．人们规定，在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向．有没有办法把磁场中各点的磁场方向显示得形象些呢？

■甲：空气看不见，摸不到，我们可以根据空气流动（风）所产生的作用来认识它。

乙：电流看不见，摸不到，我们可以根据电流所产生的效应来认识它。

丙：磁场看不见，摸不到，我们可以根据它所产生的作用来认识它。

实验 在一块玻璃板上均匀地撒一些铁屑，然后把玻璃板放在条形磁体上，轻敲玻璃板，观察铁屑的分布有什么变化．换用蹄形磁体，再做一次．

■图11—9条形磁体（甲）和蹄形磁体（乙）的磁场铁屑在磁场中被磁化，每粒铁屑都成了“小磁针”，轻敲玻璃，使“小磁针”能在磁场作用下转动，停下来时，每个“小磁针”北极所指的方向显示出所在点的磁场方向。

实验结果如图11—9所示．在磁场中无数被磁化了的铁屑排成一条条曲线，形象地显示出各点的磁场方向．

磁感线 物理学家用磁感应线来形象地描述空间磁场的情况．在磁场中画一些有方向的曲线，任何一点的曲线方向都跟放在该点的磁针北极所指的方向一致．这样的曲线叫做磁感应线，简称磁感线．磁体周围的磁感线都是从磁体北极出来，回到磁体南极．图11—10表示条形磁体和蹄形磁体的磁感线分布．

■图11—10条形磁体（甲）和蹄形磁体（乙）的磁感线分布（图中的A点和B点是为本节的“想想议议”而加的）。知道了磁感线分布，我们对磁场的了解前进了一步．

我们不但知道磁场对放入其中的磁体有磁力的作用，而且还可以知道磁极在磁场中各点所受磁力的方向．在磁场中的某点，北极所受磁力的方向跟该点的磁场方向一致，南极所受磁力的方向跟该点的磁场方向相反．

想想议议 有人说，在图11—10中，A点在磁感线上，能确定小磁针的北极（或南极）在A点所受磁力的方向；B点不在磁感线上，无法确定小磁针的北极（或南极）在B点所受磁力的方向．这话对吗？

练习

图11—10条形磁体（甲）和蹄形磁体（乙）的磁感线分布（图

中的A点和B点是为本节的“想想议议”而加的）．

1．磁体间的相互作用是通过_________发生的．

2．磁场中某一点的磁场方向是怎样确定的？

3．磁体周围的磁感线是从磁体_________出来，回到磁体______．

三、地磁场

一个能在水平面内自由转动的磁针，静止时北极指北，南极指南，世界各地基本如此．这是为什么呢？原来地球本身是一个巨大的磁体．地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近．在地球周围的空间里存在着磁场，叫做地磁场，地磁场的磁感线从地磁北极出发到地磁南极（图11—11）．磁针指南北，就是因为受到地磁场的作用．

■图11—11 地球本身是一个巨大的磁体

由于地理两极跟地磁两极并不重合，所以磁针所指的南北方向不是地理的正南正北方向，而是稍微有些偏离．我国宋代学者沈括（1031～1095）是世界上最早准确地记述这一现象的人．这比西方哥仑布横渡大西洋时（1492年）才发现这一现象早了四百多年．

地磁场是怎样产生的，这个问题已经研究了多年，但至今还没有得到满意的结果．

四、电流的磁场

? 把电路接通，导线里就有了电流．这是大家都熟悉的电现象．把小磁针放在磁场里，小磁针会发生偏转．这是刚刚讲过的磁现象．这两种现象表面上看起来互不相关，它们之间会有什么联系吗？

奥斯特的实验 如图11—12所示，将一根导线平行地拉在静止小磁针的上方，观察导线通电时小磁针是否偏转．改变电流方向，再观察一次．

实验表明，导线通电时磁针发生偏转；切断电流时磁针又回到原位．这说明：通电导线和磁体一样，周围存在着磁场，即电流的磁场；正是电流的磁场使磁针发生偏转．这种现象叫做电流的磁效应．

■图11—12奥斯特实验

实验还表明，电流方向改变了，磁针的偏转方向也相反．这说明电流的磁场方向跟电流方向有关．

在历史上，人们对电现象和磁现象的研究是分别进行的，在相当长的时间里都认为电和磁是互不相关的两件事．19世纪初，一些哲学家和科学家开始认为自然界各种现象之间应该是互相有联系的．基于这种思想，丹麦物理学家奥斯特用实验方法来寻找电和磁之间的联系．起初他的实验都失败了．直到1820年4月的一天，他在课堂上演示物理实验时，有一次把导线平行地放在磁针上面通电，磁针发生偏转．当时并没有引起在场其他人的注意，而奥斯特却是个有心人，看到这个现象后非常兴奋．他紧紧抓住这个现象，又继续做了几十个不同的实验，终于成为第一个发现电与磁之间的联系的人而载入史册．

通电螺线管的磁场 奥斯特的发现激发了科学家的探索热情．他们让电流通过弯成各种形状的导线，研究电流的磁场，其中有一种是后来用处最大的，那就是把导线绕成螺线管再通电．通电螺线管的磁场是什么样的呢？

■图11—13通电螺线管的磁场

实验 如图11—13所示，在螺线管的两端各放一个小磁针，并在硬纸板上均匀地撒满铁屑．通电后观察小磁针的指向，轻敲纸板，观察铁屑的排列情况．改变电流方向，再观察一次．

实验结果表明，通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样．通电螺线管的两端相当于条形磁体的两个极，它们的极性可以从实验中小磁针的指向来确定．改变电流方向，通电螺线管的南北极正好对调，这说明，通电螺线管两端的极性跟螺线管中电流的方向有关．

通电螺线管的极性跟电流方向的关系，可以用安培定则来判定．照图11—14那样，用右手握螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极．你能用这个方法判定图11—13中螺线管的N、S极吗？

■图11—14安培定则

想想议议 如果条形磁铁的磁性减弱了，你能用电流来使它增强吗？应该怎么办？

练 习

1．奥斯特实验证明了什么？

2．通电螺线管对外相当于一个磁体，它的两个极与电流方向之间的关系用什么办法来判定？

第一步 电的基础知识
第七章  电和磁（二）

五、实验：研究电磁铁

用小磁针探查通电螺线管的磁场，发现当螺线管内插入铁心时，由于铁心被磁化，磁场大大增强（图11—16）．因此，人们在利用通电螺线管得到强磁场时，一般都要把螺线管紧密地套在一个铁心上，这样就构成了一个电磁铁．

■图11—16铁心使通电螺线管的磁性增强

电磁铁有什么特点？它的磁性强弱跟哪些因素有关系呢？请你自己做实验来研究．给你的实验器材是：一个线圈匝数可以改变的电磁铁、电源、开关、滑动变阻器、电流表和一小堆大头针．

1．电磁铁的磁性跟电流的通断有关系吗？

把电磁铁和电源、开关串联起来．观察通电和断电时电磁铁对大头针的作用．

2．电磁铁的磁性强弱跟电流的大小有关系吗？

把电源、开关、滑动变阻器、电流表和电磁铁上匝数较少的线圈串联起来．调整变阻器的滑片，使通电时电路中的电流较小．观察通电时电磁铁吸引大头针的数目．然后移动变阻器的滑片，使电流增大，观察电磁铁吸引大头针的数目有什么变化．

3．对外形相同的螺线管，电磁铁的磁性强弱跟线圈的匝数有关系吗？

改变电磁铁的接线，增加通电线圈的匝数，同时调整变阻器的滑片，使电流保持不变．观察电磁铁吸引大头针的数目有什么变化．

将你的实验结果填入下面的空白处：

（1）电磁铁通电时____磁性，断电时____磁性．

（2）通入电磁铁的电流越大，它的磁性越____．

（3）在电流一定时，外形相同的螺线管，线圈的匝数越多，它的磁性越_____．

电磁铁在实际中用处很多，它的最直接的应用之一是电磁起重机（见彩图6）．工厂里搬运钢铁的电磁起重机安装在吊车上，可以上下移动，还可以跟吊车一起移动．大型电磁起重机一次可以吊起几吨钢材．电磁铁在电铃、电报机、发电机、电动机、自动控制上都有应用．

想想议议 电磁起重机的铁心应该用软铁还是用钢制成？为什么？

练 习

1．螺线管与电磁铁有什么区别？为什么电磁铁的磁性比螺线管的磁性强？

2．用两种方法设计一个磁性强弱可以改变的电磁铁，画出电路图．

六、电磁继电器

人直接操作高压电路的开关是很危险的，因此我们希望通过控制低压电路的通断间接地控制高压电路的通断．利用电磁铁制成的电磁继电器，帮助我们解决了这个问题．

图11—17中的虚线部分是电磁继电器的结构和工作电路示意图，把图和实物结合起来，认识它的各个部分，弄懂它的工作原理．然后做下面的实验．

■图11—17电磁继电器的结构和工作电路

A：电磁铁．B：衔铁．

C：弹簧．D：动触点．

E：静触点．

工作原理：电磁铁通电时，把衔铁吸下来，使D和E接触，工作电路闭合．电磁铁断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路．电磁继电器就是利用电磁铁控制工作电路通断的开关．

实验 把继电器线圈接到电源上，组成控制电路．观察通电和断电时触点闭合和断开的情况．再用一个电源和小灯泡组成一个工作电路，使继电器通电时小灯泡亮，断电时小灯泡灭．

上面的实验用继电器控制小灯泡，似乎没有必要．但如果工作电路是对人有危险的高压电路，就很有必要了．由人直接操作的继电器控制电路只需要低压就可以工作，不会有危险．如果生产场所温度高或环境不好，还可以把继电器留在那里，而把控制电路的开关安装在远离该处的地方，进行远距离操作（图11—18）．

■图11—18电磁继电器的应用

在继电器控制电路中接入对温度或光照敏感的元件，用这些元件操纵控制电路的通断，还可以实现温度自动控制或光自动控制．

想想议议 要使继电器控制电路断电时工作电路接通，继电器控制电路通电时工作电路断开，你能想出办法并画出类似图11—17的工作电路图吗？

练 习

1．电磁继电器是由____控制的开关．利用电磁继电器可以通过控制______压电路的通断间接地控制_____压电路的通断．

2．在图11—17中，用一个温度敏感元件代替低压控制电路中的开关．当温度低时，低压控制电路断开，当温度升高时，低压控制电路接通．工作电路中的电动机换成一台空调器．试说明整个电路的工作过程．

七、电 话

提起电话，大家不会陌生．可是你知道电流的磁效应在电话里起什么作用吗？

话筒和听筒是电话的两个基本组成部分．人对着话筒说话，话筒把声音振动转化成强弱变化的电流，电流流经听筒，听筒又把它转化成振动，使人听到声音．振动→变化的电流→振动，这就是电话的基本原理．

话筒是怎样把声音转化成强弱变化的电流的呢？如图11—19所示，话筒里有一个金属盒，里面装满碳粒，上面盖有一个膜片．碳粒之间的接触不紧密，它们整体的电阻随膜片压紧的程度而改变．当人对话筒说话时，声波使膜片振动，膜片忽松忽紧地压挤碳粒，使电阻忽大忽小，在电路中就产生了强弱按声音振动而变化的电流．

在电话的听筒里有一个永磁铁，它的两个磁极上套着螺线管，在磁极前面有一个薄铁片，如图11—20所示．由于永磁体的吸引，薄铁片有些弯向磁极．在电话接通时，听筒是和对方的话筒串联在一个电路里的．当从话筒传来按说话声音的振动而强弱变化的电流时，磁体对铁片的吸引力也发生强弱变化，使铁片振动起来，发出和对方说话相同的声音．

■图11—20听筒

除了听筒和话筒，实际使用的电话机上还有电铃、拨号设备等．随着科学技术的发展，新型电话机不断出现，有的可以录音，受话人外出时可以把对方讲的话录下来，受话人回来后放录音就可以知道来过什么电话；有的可以随身携带，外出时也可以打电话）；有的可以同时传递图像，打电话的人可以从屏幕上互相看见．现在，通话范围可远涉重洋，达到世界各地．电话已成为人类使用最广泛的通信工具．

阅读材料 我国古代的磁学成就

远在两千多年前的春秋战国时期，我国已认识磁石了．在公元前4世纪写成的《管子》一书中就有关于磁石的最早记载．关于磁石吸铁，公元前3世纪写成的《吕氏春秋》中有“慈石召铁”的记载．古代原来没有“磁”字，东汉以前的书中都把磁石写作“慈石”．

指南针是我国古代四大发明之一．它的产生经历了很长的历史过程．

最早的指南仪叫司南．公元1世纪东汉学者王充在《论衡》中对司南做了比较具体的描述．图11—22所示的是按古代记载仿制的模型．司南是用天然磁石琢磨而成的勺子，放在刻有方位的铜盘上，可以转动．当它静止时，勺柄指南．但是，由于摩擦阻力，司南的准确性较差．

■图11—22司南

到公元4世纪的西晋时代，有了指南鱼．指南鱼是剪成鱼形的薄铁片，烧热后放在地磁场中磁化而成的，可以浮在水面上，鱼头指南．指南鱼转动的灵活性比司南好，但磁性较弱，不易保存．

以后，人们找到了用磁石磨针的方法制作指南针．关于指南针的最早记载见于公元 11世纪末北宋学者沈括的著作《梦溪笔谈》．

宋代中国的商船经常往返于南洋和印度洋航线上．中国的指南针大约是在公元 12世纪末传给阿拉伯人，又通过他们传到欧洲人手中．从此，指南针被许多国家采用，推动了航海事业的发展，促进了世界经济和文化的交流，对人类的进步作出了贡献．

小实验 自制指南针

1．把两根缝衣针（钢针）并排放在桌上，用条形磁体的一个极沿同一方向摩擦数十次，使它们磁化，成为磁针．

2．把这两根磁针平行地穿过子母扣的子扣上的四个孔中．穿针前先将子扣捏瘪些．

3．把一根大头针刺过厚纸片，使针竖直立起，针尖向上．将穿好磁针的子扣顶在针尖上．调整磁针的位置，使磁针能和子扣一起水平地自由转动 ．

■图11—23自制指南针

4．根据磁针静止时的指向确定它们的南、北极．

将自制的指南针保存起来，供以后实验用，并观察它的磁性能保持多久．

用电流使铁钉磁化

拿一根没有磁性的大铁钉，用锤头把它敲弯，成为马蹄形．将一根长导线在蹄形的两端各绕十几圈，接通电源，看看铁钉两端能不能吸引铁屑．再根据安培定则判断一下钉尖和钉头各是什么极，然后用自制的指南针检验你的判断是否正确．

习 题

1．有两根外形完全相同的钢棒，一根有磁性，另一根没有磁性．如果没有任何其他用具，怎样才能知道哪一根有磁性，哪一根没有磁性？

学到 了 什 么

1．什么叫磁性？什么叫磁体和磁体的磁极？磁极间的相互作用是怎样的？什么叫磁化？什么叫地磁场？磁针为什么指南北？

2．从什么事实可以知道磁体的周围存在着磁场？磁场的方向是怎样规定的？条形磁体和蹄形磁体周围的磁感线分布是怎样的？

3．从什么实验知道通电导体周围存在着磁场？

4．通电螺线管周围的磁感线分布是怎样的？用什么办法来判断通电螺线管的哪一端是N极，哪一端是S极？

5．电磁铁有哪些优点？怎样控制它的磁性有无和磁性强弱？举出几个应用电磁铁的实例．

6．电磁继电器的构造、工作原理是怎样的？有什么应用？

7．简述电话的原理以及听筒和话筒的工作原理．

第一步 电的基础知识
第七章 电和磁（三）

1．什么是电磁感应现象？发电机的原理是什么？
2．远距离输电为什么要用高压电？
3．电动机的原理是什么？
4．电能有什么优越性？

一、电磁感应

人们先发明了电池，由电池提供电能．后来又发明了发电机，由发电机提供电能．现在我们所用的电能，从生活用电到交通运输、工厂企业用电，主要来自发电站（参见彩图7）里的发电机．发电机的发明，实现了电能的大规模生产，开辟了电的时代．

发电机是利用电磁感应现象制成的．什么是电磁感应，它是怎样发现的呢？

奥斯特发现了电流的磁场之后，人们受到了启发：既然电流能够产生磁场，那么，反过来利用磁场能不能获得电流？英国物理学家法拉第，经过十年坚持不懈的努力，终于在1831年发现了这个现象．法拉第的发现进一步揭示了电和磁的联系，导致了发电机的发明，实现了机械能转化为电能．

实验1 如图12—1所示，在磁场中悬挂一根导体ab，把它的两端跟电流表连接起来．

■图12—1研究电磁感应现象的装置

电流能够产生磁场，把导体放在磁场中也许会产生电流，让我们试试看．保持导体ab不动，合上开关，电流表的指针并不偏转，表明导体中没有电流．我们的推断落空了．

可能是磁场不够强，换用强磁体试试看，保持ab不动，合上开关，电流表的指针仍不偏转．实在令人失望．

我们不能固守一种办法，不妨换一个办法试试看．保持电路闭合，让导体ab在磁场中上下运动．但还是没有电流．

要像法拉第一样坚持实验．保持电路闭合，让导体ab在磁场中左右运动．电流表的指针这次偏转了！

■图12—1研究电磁感应现象的装置

科学家探索自然界的秘密，要付出艰辛的努力，经过反复曲折，才能打开真理之门．我们这里遇到的曲折，不过是历史上科学家进行探索的一个缩影而已．

磁能生电，这种现象我们是看到了．在什么条件下才能产生这种现象呢？导体要在磁场中运动．但只是运动并不够，图12—1中导体ab上下运动时并不产生电流．原来导体ab左右运动时切割磁感线，所以产生电流，上下运动时不切割磁感线，所以不产生电流．如果导体斜着运动，也切割磁感线，会不会产生电流呢？事实上的确会产生电流．那么，结论是什么呢？

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流．这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流．

实验2 在上述实验中，导体ab向左运动时，电流表的指针向一个方向偏转，使导线运动方向反向时，即向右运动时，电流表的指针向相反的方向偏转，表示这两种情况下感应电流的方向相反．保持导体ab向某个方向做切割磁感线运动，把两个磁极对调，使磁感线的方向反向，感应电流也变成相反的方向．

这说明导体中感应电流的方向，跟导体运动方向和磁感线方向有关．

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，外力移动导体做了功，同时产生了感应电流，这样，一方面得到了电能，同时消耗了机械能．由此可见，在上述电磁感应现象中，机械能转化为电能．

二、发电机

实验 如图12—4所示，把手摇发电机和演示电流表连接起来，组成闭合电路．缓慢摇转大轮，带动线圈在磁场里转动，可以看到演示电流表的指针左右摆动起来．演示电流表的指针发生偏转，表示电路中有了电流．指针左右摆动，又表示什么呢？

■图12—4发电机的电路

交流电 图12—5是发电机的原理图，放在磁场里的线圈，两端各连一个铜环K和L，它们分别跟电刷A和B接触，并跟电流表组成闭合电路．

让线圈在磁场中转动，由于ab边和cd边做切割磁感线的运动，线圈和外部电路中就有了电流．仔细研究图12—5，可以看出：在线圈转动的前半周（甲→乙→丙），线圈都从一个方向切割磁感线，因此外部电路中的电流方向不改变，都是由A流向B；在后半周（丙→丁→甲），线圈又从另一方向切割磁感线，因此外部电路中的电流改变了方向，由B流向A．线圈继续转动，电流方向将周期地重复上述变化．这可以从电流表指针的左右摆动看出来．设想每秒钟线圈转一周，电流变化周期就是1秒．这种周期性地改变方向的电流，叫做交流电．

■图12—5交流电的产生

■ 甲：线圈开始转动时，ab边向左运动，cd边向右运动，导线不切割磁感线，电路中没有电流．
■乙：线圈转动的前半周中，ab边向下运动，cd边向上运动，导线切割磁感线，电路中有电流，这时外部电路中的电流由A到B．
■丙：线圈转到1■2周时，ab边向右运动，cd边向左运动，导线不切割磁感线，电路中没有电流．
■丁：线圈转动的后半周中，ab边向上运动，cd边向下运动，导线切割磁感线，电路中有c电流，这时外部电路中的电流由B到A．

交流电跟我们从电池得到的电流有所不同，从电池得到的电流的方向不变，通常叫做直流电．
交流电的应用很普遍．家庭电路中的电流，供生产用的动力线路中的电流，都是交流电．我国供生产和生活用的交流电，周期是0．02秒，频率是50赫兹，即1秒内有50个周期；从图12—5知道，交流电的方向每周期改变2次，所以频率是50赫兹的交流电，电流方向每秒钟改变100次．
交流发电机 图12—4是手摇交流发电机的模型，实际的交流发电机，结构比较复杂，但主要由转子（转动部分）和定子（固定部分）两部分组成．大型发电机发出很高的电压和很强的电流，要采用线圈不动、磁极旋转的方式发电．这种发电机叫做旋转磁极式发电机．为了得到较强的磁场，要把线圈嵌在定子铁心槽里，还要用电磁铁代替永久磁铁作转子．大型旋转磁极式发电机，能够提供几千伏到上万伏的电压，功率可达几十万千瓦，甚至百万千瓦以上．

实际发电机的转子由水轮机、汽轮机或内燃机来带动．彩图8为水电站厂房内景，图中看到的是一排大型发电机，带动它们的水轮机在厂房下面．

除了交流发电机，还有向外部电路供给直流电的直流发电机．直流发电机也是利用电磁感应现象制成，只是结构上有些不同，这里就不讲了．

练 习

1．发电机是利用____现象制成的，通过发电机把____能转化为____能．

2．交流发电机主要由_____和_____两部分组成，______不动、___ ____旋转的发电机叫做旋转磁极式发电机．

3．为什么交流发电机发出的电流，方向是周期性变化的？

三、电能的输送

从发电站发出的电能，要经过输电线送到用电的地方．图12—6是电能输送的示意图．从发电站发出的电能，先经过变压器把电压升高，用高压电输送到远方的用户附近，再经过变压器把电压降低，供给用户使用．为什么远距离输电要用高电压呢？

■图12—6电能输送的示意图

我们知道，导线是有电阻的．实验室里的实验电路，以至家庭电路，导线不长，电阻很小．横截面积1毫米2的铝导线，1米长，电阻只有0．029欧．导线的电阻比用电器的电阻小得多，可以略去不计．可是实际的输电线很长，例如河南平顶山至湖北武昌的高压输电线路长600多千米，一条长600千米、横截面积1厘米2的铝导线，电阻约为170欧．这么长的输电线，它的电阻就不能不考虑了．就是因为输电线有电阻，才产生了高压输电的问题．

从焦耳定律知道，电流通过导线要发热．长600千米、横截面积1厘米2的铝导线，即使通过10安的电流，每年产生的热量也达5.4×1010焦．这么多热量散失到大气中，白白损失了．怎么办呢？按照焦耳定律，
可是，要用这个办法减小电能损失，就要提高输电的电压．为什么呢？比如我们用10千伏的电压输电，输电电流是100安．输送的功率就是1000要减小电能在输电线上的损失，又要不减小输送功率，那就只能提高输电电压了．把输电电压提高一倍，即用20千伏的电压输电，同时把电流减小 输送电能要升高电压，而用户却不适宜用高压电，因为高压电太危险，而且制造适于高电压的用电器又很困难，因此到用户处要把电压降下来，如给家庭电路供电要降到220伏，变压器（图12—7）就是能把交流电的电压升高或者降低的装置．

■图12—7甲：发电站用来升压的变压器．乙：用户附近用来降压的变压器．

我国远距离输电的电压有110千伏、220千伏、330千伏，近年还建成了500千伏的超高压输电线路．国外还建有1150千伏的试验性超高压输电线路．
输电是输送能量的一种方式．如果我们把输电和运煤比较一下，就可以看出输电的优越性．我国山西大同到北京的500千伏超高压输电线路，输送功率约为200万千瓦．按燃烧值为2．93×107焦/千克的标准煤来折合，这相当于每天运输5900吨煤．一节火车货车装60吨煤，每天要用99节货车才行．

■图12—8山西大同到北京的输电线路，功率约为200万千瓦．这相当于每天运输多少节货车的煤？

四、磁场对电流的作用

电流通过电动机，电动机的轴就转动起来．电动机的原理是什么呢？原来通电导线在磁场中要受到力的作用，电动机就是利用这种现象制成的．

实验1 如图12—9所示，把一根直导体AB放在蹄形磁体的磁场里，接通电源，让电流通过原来静止的导体AB．观察发生的现象．
■图12—9通电直导线在磁场中受到力

■图12—9通电直导线在磁场中受到力
实验表明：电流通过在磁场中的导体AB时．导体AB就运动起来．这说明通电导体在磁场里受到力的作用．在上述实验中，这个力的方向既跟电流的方向垂直，又跟磁感线的方向垂直．

实验2 在上述实验中，使电流的方向相反，或者使磁感线的方向相反，观察导体AB的运动情况．
实验表明：使电流的方向相反，或者使磁感线的方向相反，导体AB的运动方向也相反．这说明通电导体在磁场里受力的方向，跟电流方向和磁感线方向有关．

把一个通电线圈放在磁场里，你推测会发生什么现象？你是怎样进行推测的？
实验3 如图12—10甲所示，把一个线圈放在磁场里，接通电源，让电流通过线圈．观察发生的现象．我们看到，接通电源线圈在磁场里发生转动，但转动不能持续下去，摆几下便停在图12—10乙所示的位置上．

怎样解释这个现象呢？原来通电线圈的ab边和cd边在磁场里受到力的作用，而ab边和cd边中的电流方向相反，所以受到的力的方向相反且不在同一直线上（见图甲），在这两个力的作用下线圈就转动起来．当转到图乙所示的位置时，这两个力恰好在同一直线上，而且大小相等，方向相反，相互平衡，所以线圈在这个位置上可以保持平衡．
通电导体和通电线圈在磁场里受到力的作用而发生运动时，消耗了电能，得到了机械能．在这种现象里，电能转化为机械能．

■图12—10通电线圈在磁场里转动

■图12—9通电直导线在磁场中受到力               ■图12—10通电线圈在磁场里转动

想想议议 通电线圈转到图12—10乙所示的平衡位置时，不是立即停下来，而是在平衡位置附近摆动几下才停下来．你怎样解释这个现象？

练 习

1．要改变通电导体在磁场里受力的方向，可以通过改变________或改变____来实现．

2．通电线圈在磁场里转动，消耗了_____能得到了____能．

第一步 电的基础知识
第七章  电和磁（四）

五、直流电动机

从发现到发明 在上一节所示的现象里，我们看到电能可以转化成机械能．怎样才能实际利用上述现象呢？从发现磁场对电流的作用，到发明电动机，还有一段路要走．实际的电动机要能够持续地转动，而图12—10中的通电线圈却不能持续转动．怎么办？

图12—11表示图12—10中的通电线圈刚转过平衡位置时的受力情况，对比图12—11的甲和乙可以知道：如果在线圈刚转过平衡位置时，立即改变线圈中的电流方向，那么，由于受力方向改变，线圈就可以按原来的方向继续转动．这样，每当线圈刚转过平衡位置，就改变一次电流方向，线圈就可以不停地转动下去．怎样具体实现电流方向的改变呢？

■甲：未改变电流方向。乙：改变了电流方向。

图12—11通电线圈刚转过平衡位置时的受力情况

换向器 图12—12是直流电动机的原理图．这种电动机用直流电源供电，所以叫直流电动机．线圈的两端各连一个铜制半环E和F，它们彼此绝缘，并随线圈一起转动．A和B是电刷，它们跟半环接触，使电源和线圈组成闭合电路．两个半环E和F叫做换向器．每当线圈刚转过平衡位置，换向器就能自动改变线圈中电流的方向．仔细研究图12—12，就会了解这一点．

■甲：电流方向和力的方向如图所示，线圈顺时针转动．

乙：线圈转到平衡位置时，两电刷恰好接触两半环间绝缘部分：线圈由于惯性继续转动，转过平衡位置分：线圈由于惯性继续转动，后，电流即改变方向．

转过平衡位置后，电流即改变方向。

■■■丙：ab和cd中的电流方向与图甲丁：线圈又转到平衡位置，换向器又自动改变电流方向．相反，受力方向也相反，线圈又自动改变电流方向。仍顺时针转动．

■图12-12直流电动机的原理

电动机的优点 实际的直流电动机，为了能够带动工作机平稳地运转，线圈有很多匝，而且嵌在圆柱形铁心上，组成转子；换向器也由许多铜片组成．转子安装在定子里，定子由机壳和磁极组成，而且用的是电磁铁（图12—13）．

■ 甲：转子乙：定子

图12—13直流电动机的构造

跟热机比较，电动机有许多优点．电动机的开动和停止都比热机方便，只要用开关把电路接通或切断就行．电动机的构造也比热机简单，制造便宜，占地较小．电动机的效率比热机高，而且对环境没有污染．

直流电动机广泛应用在电车、电力机车以及龙门刨床、轧钢机、起重机等方面．除了直流电动机，还有交流电动机．交流电动机也广泛应用在工厂、农村和日常生活中．电风扇、洗衣机、电冰箱等电器中用的是交流电动机．农村水泵站中带动水泵的电动机，也是交流电动机．

练 习

1．直流电动机是利用________在________里受力转动的原理制成的．它把________能转化为________能．

2．换向器的作用是什么？

六、实验：安装直流电动机的模型

照图12—15把直流电动机的模型安装起来．安装前仔细观察换向器，弄清换向器的作用．把电动机、变阻器、电源、开关串联起来；先画出电路图，然后按照电路图来连接．

■图12—15直流电动机模型

合上开关，接通电路，观察线圈的转动．

把电源两极对调一下，改变电流方向，观察线圈转动方向是否改变．

把磁铁的两极对调一下，改变磁感线的方向，观察线圈转动方向是否改变．

用变阻器改变电流大小，观察线圈转动的速度怎样随着改变．

想想做做仿照实验中所用的电动机模型，你能够自己制作一个电动机模型吗？希望你课外制作一下，并能够有所改进．如果你有兴趣，还可以利用自制的电动机设计一个电动玩具．

七、电能的优越性

我们生活在电的时代，电能的应用非常广泛．设想一座城市完全断了电，简直不堪设想．大大小小的工厂停产，机器停止运转，炼钢炉不能炼钢，电车不能开动，广播电视停播，自来水供应中断，楼房电梯停开，电灯不亮，入夜一片漆黑……电，它在工业、农业、交通运输、国防建设、科学研究以及日常生活中用得越来越多，电能的生产和使用的规模，已经成为社会经济发展的重要标志．

电能为什么应用这样广泛，它有什么优越性呢？

电能的来源比较广泛，自然界存在的各种形式的能如化学能、水能、风能、太阳能、核能都可以较为方便地转化为电能．电池和发电机就是实现这种转化的装置．在水电站里，水能通过水轮发电机转化为电能．在火电站里，燃料的化学能通过汽轮发电机转化为电能．除了水电站和火电站，还有风力发电、地热发电、太阳能发电、核能发电等．

我国主要是利用火力和水力来发电的．到1993年，我国有30万千瓦以上的水电站、火电站共1020座（其中水电站235座、火电站785座）．我国的社会主义现代化建设，对电的需要量日益增加．在主要煤炭产区和沿海地区，要建设一批火电站．在黄河上游和长江中上游干支流，要建设一批大型水电站（规模巨大的长江三峡水力工程正在进行）．还建设了核电站．

电能便于输送，用电线就可以把电能输送到千百里以外的地方．输送电能比输送煤、石油等燃料要方便得多．而且电能的输送损失较小．我国幅员广大，不同区域组成大的电网供电，110千伏以上的输电网络的线路长达18万千米．

电能使用起来非常方便，它能够方便地转化为其他形式的能，来满足多方面的需要，电能可以通过电动机转化为机械能，通过电热器转化为内能，通过电光源转化为光能．各种各样的用电器就是实现这种转化的装置．用电器的效率比较高．电动机的效率达90％以上．在管理和操纵方面比较简单，污染少，工作场所容易保持干净，有利于保护环境．

■在发电站里，通过发电机把水能、化学能（煤）或原子能转化成电能■电池在使用时发生化学变化，化学能转化成电能■通过硅光电池把太阳能转化成电能■■通过电动机把电能转化为机械能■通过电热器把电能转化为内能■通过日光灯把电能转化为光能

讨论 根据学过的知识和日常用电经验，讨论一下电能有什么优越性．

伟大的物理学家法拉第

法拉第是著名的英国物理学家和化学家．他发现了电磁感应现象，提出了电场和磁场的概念，发现了电解定律等．他的很多成就都很重要，是带根本性的重大成就．

法拉第出身于一个铁匠家庭，家境贫寒，没念多少书，13岁就开始当报童、学徒．他热爱科学，立志献身于科学事业．他做图书装订工期间，阅读了大量科学书籍，并在自己家里搞了一个小实验室．后来他到英国皇家学院担任实验室助手，由于他勤奋好学，很快就能独立做实验．法拉第是一个伟大的实验物理学家，他的许多重要发现