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电机如何从楞次定律到反电动势来实现了的运转?

文章出处:汉德保(HDB)电机 人气:288发表时间:2020-10-20
楞次定律是以1834年物理学家埃米尔·楞次(Emil Lenz)的名字命名的,他在1834年提出了这一定律指出,在导体中,由变化的磁场感应的电流的方向是,由感应电流产生的磁场与初始变化的磁场相反。这是一个定性定律,它规定了感应电流的方向,但对其大小却只字不提。Lenz定律解释了电磁学中许多效应的方向,如电流变化在电感器或导线回路中感应的电压方向,或在磁场中作用在运动物体上的涡流阻力。
电机如何从楞次定律到反电动势来实现了的运转?
安培定则告诉了我们,电能的流动会产生磁场,因此将线圈通电后,会依照安培右手定则产生N极或是S极的磁场;也就是电能可以转换产生磁能。
牛顿运动定律中有一个法则称之为”动者恒动,静者恒静”,它描述了一个有趣的物理现象,在物理界中的一切都喜欢维持既有状态;在动力学中,这种维持既有状态的能量又称为电势能,想要改变既有状态,则必须施加外来能量的冲击,且要大于原本电势能的大小,称之为平衡。一但突破了平衡,物理的形态就改变了,成为了一种新的既有状态,就是有个物体不动,处于既有的电势能状态,你花了力量推它之后,突破它原有的平衡,一但它开始移动后,移动成为了另一种既有状态,则还需要有额外的能量来改变它,才会再次改变形态。
将上述两种物理现象结合后,安培定则及牛顿运动定律,就变成了楞次定律,其产生的基本方式描述如下,将磁铁接近一组线圈就如同下图所示,这因物理现象希望这两物体间能维持前一既有位置关系,当把磁铁往线圈靠近时,线圈会主动感应排斥力的磁极,好让两物体还是能维持相同的距离。反之,若磁铁是要受到外力影响产生要远离的力量,则线圈会主动感应出吸引的磁力,好让两物体维持相同的距离。

以更白的话说来,就是两人很有默契地维持同样的距离,当一方要靠近,则另一方就产生排斥力,不让你过来;但一方想要离开时,另一方又产生吸引力,想要把你吸回来,这种尽可能维持相同距离的关系,就是牛顿运动定律中的”动者恒动,静者恒静”的道理。又由于作用的是磁能与电能间的关系,所以会依赖安培定则,这将这两者合并所产生出來的电能与磁能的感应关系,就是楞次定律。

楞次定律的解释实验中,最有趣的是一种称之为安哥拉圆盘(Arago’s disk)的实验,是利用磁铁带动铝盘移动的裝置。实验一开始会先用磁铁去吸铝盘,然而铝材并不导磁,所以並不会被磁铁吸附住,当磁铁于铝盘上快速移动时,铝盘就像是被磁铁吸住而跟着跑一样,其原因就是楞次定律,因为铝材虽然不导磁,但会导电,因此磁铁靠近时,铝盘为了维持原本的距离关系,需要排斥力作用,而在铝盘上感应生成了电流,产生磁力。我们已经知道当磁铁靠近铝盘,则铝盘会感应电流产生磁极排斥力。
电机如何从楞次定律到反电动势来实现了的运转?
此时将磁铁顺着铝盘圆周宜动,则会顺着移动方向的前方产生排斥磁极,后方则因此磁铁要离开,改为形成吸力磁极。
电机如何从楞次定律到反电动势来实现了的运转?
则铝盘受到感应磁力的作用,而被磁铁拖着跑,就像铝盘忽然具有导磁能力,被磁铁带着跑的情況一样。
电机如何从楞次定律到反电动势来实现了的运转?
将安哥拉圆盘(Arago disk)的理论延伸应用,且可说是楞次定律最具代表性的作品,那就是感应电机了。感应电机的名称取得十分贴切,表明了这类型的电机磁力的产生是依靠感应而来的,但也是因为这感应的作用是需要时间来反应生成的,所以感应电机是一种非同步电机,也就是电源切换的频率与转速会有差异,在感应电机中的专业名词称为”异步”或“滑差”。楞次定律其实解释了发电机的原理,是由磁能状态的变化,来产生相对应的电能来抵制磁能的变化。也是一种极能代表楞次定律的应用例子。也因此在永磁电机中,当有一外力带动电机转子旋转时,于定子线圈上会量到电压及电流值,在永磁电机中称为反电动势。其实也就是线圈感应到磁铁接近或离开时,自动感应出电能,想要抵抗磁能变化的能量。

结论

牛顿运动定律也告知”作用力等于反作用力”,也就是两物体间瞬间要变化的情況越激烈,则产生的抵抗力也就越大。在楞次定律的实验中可以发现,磁铁移动的速度越快,则产生的电能就越大,而且移动的速度也就越快;磁铁选择磁力越强的,也会产生相同的效果。两着合并起来解释就是,单位磁间內磁能变化幅度越大,则感应出的电能亦越大。若要让永磁电机的极速拉高,则磁铁的磁力要变小,反电动势会抵抗输入电压,所以要降低反电动势的电压值,就必需降低磁能的变化幅度,才能让电机转得更快,这原则也造就了弱磁控制的方法,来延伸电机极速范围。


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