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電機如何從楞次定律到反電動勢來實現了的運轉?

文章出處:漢德保(HDB)電機 人氣:2622發表時間:2020-10-20
楞次定律是以1834年物理學家埃米爾·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,由變化的磁場感應的電流的方向是,由感應電流產生的磁場與初始變化的磁場相反。這是一個定性定律,它規定了感應電流的方向,但對其大小卻只字不提。Lenz定律解釋了電磁學中許多效應的方向,如電流變化在電感器或導線回路中感應的電壓方向,或在磁場中作用在運動物體上的渦流阻力。
電機如何從楞次定律到反電動勢來實現了的運轉?
安培定則告訴了我們,電能的流動會產生磁場,因此將線圈通電后,會依照安培右手定則產生N極或是S極的磁場;也就是電能可以轉換產生磁能。
牛頓運動定律中有一個法則稱之為”動者恒動,靜者恒靜”,它描述了一個有趣的物理現象,在物理界中的一切都喜歡維持既有狀態;在動力學中,這種維持既有狀態的能量又稱為電勢能,想要改變既有狀態,則必須施加外來能量的沖擊,且要大于原本電勢能的大小,稱之為平衡。一但突破了平衡,物理的形態就改變了,成為了一種新的既有狀態,就是有個物體不動,處于既有的電勢能狀態,你花了力量推它之后,突破它原有的平衡,一但它開始移動后,移動成為了另一種既有狀態,則還需要有額外的能量來改變它,才會再次改變形態。
將上述兩種物理現象結合后,安培定則及牛頓運動定律,就變成了楞次定律,其產生的基本方式描述如下,將磁鐵接近一組線圈就如同下圖所示,這因物理現象希望這兩物體間能維持前一既有位置關系,當把磁鐵往線圈靠近時,線圈會主動感應排斥力的磁極,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生要遠離的力量,則線圈會主動感應出吸引的磁力,好讓兩物體維持相同的距離。

以更白的話說來,就是兩人很有默契地維持同樣的距離,當一方要靠近,則另一方就產生排斥力,不讓你過來;但一方想要離開時,另一方又產生吸引力,想要把你吸回來,這種盡可能維持相同距離的關系,就是牛頓運動定律中的”動者恒動,靜者恒靜”的道理。又由于作用的是磁能與電能間的關系,所以會依賴安培定則,這將這兩者合并所產生出來的電能與磁能的感應關系,就是楞次定律。

楞次定律的解釋實驗中,最有趣的是一種稱之為安哥拉圓盤(Arago’s disk)的實驗,是利用磁鐵帶動鋁盤移動的裝置。實驗一開始會先用磁鐵去吸鋁盤,然而鋁材并不導磁,所以並不會被磁鐵吸附住,當磁鐵于鋁盤上快速移動時,鋁盤就像是被磁鐵吸住而跟著跑一樣,其原因就是楞次定律,因為鋁材雖然不導磁,但會導電,因此磁鐵靠近時,鋁盤為了維持原本的距離關系,需要排斥力作用,而在鋁盤上感應生成了電流,產生磁力。我們已經知道當磁鐵靠近鋁盤,則鋁盤會感應電流產生磁極排斥力。
電機如何從楞次定律到反電動勢來實現了的運轉?
此時將磁鐵順著鋁盤圓周宜動,則會順著移動方向的前方產生排斥磁極,后方則因此磁鐵要離開,改為形成吸力磁極。
電機如何從楞次定律到反電動勢來實現了的運轉?
則鋁盤受到感應磁力的作用,而被磁鐵拖著跑,就像鋁盤忽然具有導磁能力,被磁鐵帶著跑的情況一樣。
電機如何從楞次定律到反電動勢來實現了的運轉?
將安哥拉圓盤(Arago disk)的理論延伸應用,且可說是楞次定律最具代表性的作品,那就是感應電機了。感應電機的名稱取得十分貼切,表明了這類型的電機磁力的產生是依靠感應而來的,但也是因為這感應的作用是需要時間來反應生成的,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有差異,在感應電機中的專業名詞稱為”異步”或“滑差”。楞次定律其實解釋了發電機的原理,是由磁能狀態的變化,來產生相對應的電能來抵制磁能的變化。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,當有一外力帶動電機轉子旋轉時,于定子線圈上會量到電壓及電流值,在永磁電機中稱為反電動勢。其實也就是線圈感應到磁鐵接近或離開時,自動感應出電能,想要抵抗磁能變化的能量。

結論

牛頓運動定律也告知”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,則產生的抵抗力也就越大。在楞次定律的實驗中可以發現,磁鐵移動的速度越快,則產生的電能就越大,而且移動的速度也就越快;磁鐵選擇磁力越強的,也會產生相同的效果。兩著合并起來解釋就是,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,反電動勢會抵抗輸入電壓,所以要降低反電動勢的電壓值,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,來延伸電機極速范圍。


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