磁场、电流的磁效应、电动机与发电机

桌上放着一枚小磁针。没有人碰它，指针静止后却总大致指向南北。把条形磁体从远处慢慢移近，磁针突然转身；把磁体掉头，磁针又朝另一个方向偏转。更奇怪的是，撤走磁体，只让旁边一根导线通电，磁针也会偏转。导线看上去既没有磁极，也没有碰到磁针，它凭什么“隔空”改变磁针的方向？

再把视线移到电风扇、扬声器和手摇发电机：有的装置把电能变成运动，有的却在闭合电路中靠线圈与磁场的合适相对运动产生电流。它们的结构中都能找到磁体和线圈。相似的零件，为什么能量传递的方向恰好相反？本章不急着背装置名称，我们从磁针一次次出人意料的转动开始，把这些现象接成一条完整的线索。

观察图中磁体靠近前后的差别，先判断：磁体还在磁针附近时，两者明明没有接触，磁针为什么会受力转动？再把磁体拿走，观察磁针怎样变化。这个“隔空作用”究竟靠什么传递？带着问题继续读。

从两端最强的吸引开始

能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性，具有磁性的物体叫磁体。一根条形磁体在两端吸起的铁屑最多，中间较少，说明磁体上磁性最强的部位在两端，这两个部位叫磁极。让条形磁体能在水平方向自由转动，静止后指向北方的一端叫北极，常标为 N；指向南方的一端叫南极，常标为 S。

先别急着看结论：把两块磁体的 N 极靠近，再把一块掉头，使 N 极靠近 S 极，你预计手上的感觉相同吗？实验会给出稳定结果：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。这是磁极间作用的基本规律。

磁体吸住铁钉后，铁钉有时还能继续吸起小铁屑。这说明原来没有明显磁性的物体，在磁体或通电线圈产生的磁场作用下可以获得磁性，这个过程叫磁化。有些材料离开磁场后磁性容易消失，适合做电磁铁的铁芯；有些材料能较长时间保留磁性，适合制成永磁体。磁卡、指南针、扬声器和电动机都在利用磁性，但利用方式并不相同。

还有一个容易被想象误导的问题：若把条形磁体从中间折断，能得到单独的一个 N 极和一个 S 极吗？不能。每一段都会成为具有 N、S 两极的新磁体。在初中观察范围内，总是把磁体看成两极同时存在。

看不见的磁场，怎样知道它在

磁体周围存在磁场，磁场是一种看不见、摸不着的物质。磁体通过磁场对放入其中的磁体产生力的作用；后面还会看到，电流也能产生磁场，磁场还能对通电导体产生力的作用。我们可以借助小磁针的转动、铁屑的排列或通电导体的运动来认识磁场，这正是根据可观察效果研究不可直接看见对象的方法。

在磁场中的某一点放一枚能自由转动的小磁针，磁针静止时 N 极所指的方向，规定为该点的磁场方向。请留意，这里用的是磁针 N 极，不是整枚磁针随便哪一端。换到另一个位置，磁针稳定方向可能改变，说明磁场既有强弱，也有方向。

在磁体上盖一块玻璃板，均匀撒上铁屑并轻敲，铁屑会排列成有规律的曲线形状。铁屑显示的是许多小磁化铁屑的排列，不是“看见了磁场本身”。为了更方便地描述磁场，物理学中画出带箭头的曲线，叫磁感线。曲线上任一点的切线方向表示该点磁场方向；线越密的地方表示磁场越强。

条形磁体外部的磁感线从 N 极出发，回到 S 极。磁感线是人为建立的模型，并不是真实存在的细线；在同一幅正确的磁场图中，磁感线也不会相交，否则交点会同时出现两个磁场方向。画图时线条多少可按表达需要选择，不能因为画得少就断言那里没有磁场。

进入探究器前，先选定一个位置，预测小磁针 N 极会指向哪里。再翻转磁体、移动磁针，最后显示磁感线，对照预测与局部方向。特别观察磁体正上方和两极附近：磁针不是简单地“永远指向北方”，而是在磁体磁场较强时沿当地磁场方向稳定。

地球也是一个大磁体

没有其他强磁体干扰时，指南针能大致指南北，说明地球周围也有磁场，这就是地磁场。地磁场的形状大体像一个条形磁体的磁场，但地磁两极与地理两极并不完全重合。

这里藏着一道很自然的反问：指南针 N 极指向地理北方，那里应该是地磁 N 极还是地磁 S 极？异名磁极相吸，所以地理北极附近是地磁场的南极，地理南极附近是地磁场的北极。说“附近”而不是“恰好重合”，是因为地磁轴与地球自转轴有偏差，地磁场还会缓慢变化。我国古代很早就认识并利用磁现象，指南针后来成为航海和辨向的重要工具。

导线通电以后，周围多了什么

把一根直导线沿南北方向放在小磁针上方。开关断开时，磁针仍大致指南北；闭合开关，磁针立即偏转；再次断电，磁针回到原方向；交换电池两极后通电，磁针向相反方向偏转。由对比可见：这根导线通电时附近磁针出现额外偏转，断电后额外偏转消失，电流反向时偏转方向也反向。

这个现象说明通电导线周围存在由电流产生的磁场，这叫电流的磁效应。电流通过所产生的磁场对附近磁针产生作用，奥斯特实验由此揭示了电与磁的联系。它不是“电流直接推开磁针”，也不表示只有电流存在时才有磁场——永久磁体和地球周围同样存在磁场。电流反向时，导线周围磁场方向改变。

实验时导线要靠近磁针并尽量沿南北放置，这样导线产生的磁场方向与地磁场方向差别较明显，现象更容易观察。闭合时间不宜过长，避免电源短路或导线过热。判断实验结论时，还要区分变量：只改变电流大小主要影响磁场强弱，只改变电流方向主要改变磁场方向。

把导线绕成螺线管

把长导线紧密绕成圆筒形线圈，叫螺线管。通电螺线管外部的磁场与条形磁体相似，也有 N、S 两极。在线圈长度、横截面等条件相同时，电流越大，通常磁场越强；电流相同且线圈尺寸等条件相同时，匝数越多，通常磁场越强；电流方向改变，两个磁极对调。

怎样由绕线方向和电流方向判断磁极？伸出右手，让四指弯曲方向与螺线管线圈中电流方向一致，大拇指所指的那一端就是通电螺线管的 N 极，这就是安培定则。四指跟随的是线圈上一匝匝电流绕行的方向，不是把四指沿螺线管长轴伸直。

先在下方实验中选择绕线观察面和电流方向，不显示答案，判断哪端为 N 极；再通电，看小磁针的指向是否支持判断。交换电源两极后，不要只记“左右互换”，请重新按四指与电流的关系判断一次。

中考图常把电源正负极、线圈绕向和小磁针混在一起。稳妥顺序是：先按电流从电源正极流出，逐段追到线圈；再看绕线方向，用安培定则定 N 极；最后用磁极间作用规律判断小磁针。不要前后循环猜测。

磁性可以按下开关才出现

在线圈中插入软铁芯，通电后铁芯被磁化，线圈和铁芯共同组成电磁铁。与永久磁体相比，电磁铁有三个突出优点：通断电可以控制磁性有无；改变电流大小或线圈匝数可以调节磁性强弱；改变电流方向可以改变磁极方向。起重电磁铁、门铃和许多自动控制装置都利用了这些特点。

比较电磁铁强弱时要使用控制变量法。例如研究匝数影响，应使铁芯材料和形状、线圈长度和横截面相同，电流相同，只改变线圈匝数，再比较吸起大头针的数量或对同一铁块的吸力。若线圈匝数改变的同时电阻也改变，电流可能跟着变化；较严谨的实验要用电流表监测并调节，使电流保持相同。吸起大头针数目会有偶然差别，可以重复实验并比较平均情况。

电磁继电器把电磁铁变成由小电流控制另一电路的开关。控制电路通电，电磁铁吸引衔铁，触点改变工作电路状态；控制电路断电，弹簧使衔铁复位。这样，低电压、弱电流可以控制高电压或强电流。读图时要把控制电路和工作电路分开追线：两者靠机械触点建立控制关系，并非直接串联。

在继电器实验中先设置线圈匝数、电流和是否有铁芯，预测衔铁能否被吸下；再给控制电路通电，观察触点和工作灯状态。试着找到“刚好能吸合”和“不能吸合”的两组条件，并说明你只改变了哪个因素。

磁场怎样让线圈真正转起来

把一段能自由运动的直导线按演示中的有效方向，横放在两磁极之间的磁场中，接入电源和开关。通电后导线运动；断电后，原先的电磁力消失，导线不再因此被推动。这说明在上述条件下，通电导线在磁场中会受到力的作用。保持其他条件不变，只反向电流或只交换磁极，受力方向都改变；电流和磁场方向同时反向，受力方向不变。导线必须能自由运动并按实验所需方向放置；固定导线看不出位移，导线沿磁场方向放置时也不能套用“通电必然运动”的结论。

把导线弯成矩形线圈，线圈两条相对的有效边中电流方向相反，在同一磁场中所受力的方向也相反，于是形成使线圈转动的效果。若线圈转过半周后电流方向一直不变，受力形成的转动效果会反向，线圈可能摆动而不能持续同向旋转。直流电动机用换向器在线圈刚转过平衡位置时自动改变线圈中的电流方向，使推动转动的效果继续保持。

一台简单直流电动机包含定子磁体、转子线圈、换向器和电刷。电刷与电源相连并压在换向器上，换向器随线圈转动。电动机工作时，电能主要转化为机械能，同时有一部分电能因线圈发热、摩擦和声音转化或转移到环境中。

开篇提到的动圈式扬声器也利用这一规律。它有永久磁体、线圈和与线圈相连的纸盆。随声音变化的电流通过线圈，线圈在磁场中受力的方向和大小随之变化，带动纸盆来回振动而发声。扬声器不靠线圈持续转动，而是把变化的电信号转化为纸盆的机械振动。

在方向实验中，先保持磁场方向不变，只反接电源，记录线圈转向；复原后只交换磁极，再记录一次；最后把电源和磁极同时反向。每次操作前都先预测，完成后用“改变一个方向—力的方向改变”的逻辑解释，别把三个结果背成互不相干的口令。

不接电源，电流能从哪里来

把线圈与灵敏电流计连成闭合电路，不接电池。磁体和线圈都静止时，指针不偏；磁体相对线圈快速插入时指针偏转，停在线圈内又回零，快速抽出时向相反方向偏转。这说明：闭合线圈与磁体有效相对运动，使穿过线圈的磁场情况变化时，可以产生电流；磁体停在线圈中，虽有磁场却没有持续的明显电流。这类实验研究的是线圈所处磁场情况的整体变化，不能直接推出某段导体正在固定磁场中横向切割磁感线。

另一类实验把闭合电路中的一段可动直导体横放在两磁极之间，使其相对磁场做有效运动。闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中产生电流，这叫电磁感应，产生的电流叫感应电流。两类实验等效：一个突出部分导体有效切割磁感线，另一个突出闭合线圈中的磁场情况随相对运动而变化。在上述磁场本身不随时间变化的实验中，共同条件是电路闭合，且导体与磁场有能改变穿过电路磁场情况的有效相对运动。在上述实验条件下，相对静止或沿磁感线运动时，没有持续的明显感应电流。

在其余条件不变时，反向有效切割运动，感应电流方向反向；保持运动不变而对调磁极，感应电流方向也反向。不能笼统地说任意改变运动方向都会使电流反向。只提高有效切割速度、增强磁场或增加线圈匝数，通常使电流计偏转更明显，主要改变偏转程度。本章只作定性比较。

发电机利用电磁感应工作。固定部分叫定子，转动部分叫转子；简单交流发电机模型以磁体作定子、线圈作转子。外力带动线圈转动，有效边不断切割磁感线；外电路闭合时便有感应电流。线圈两端分别接两个彼此绝缘、随线圈转动的铜环，固定电刷接触铜环，把电流送往外电路。线圈每转半周，切割运动方向相应改变，感应电流方向周期性改变，所以产生交流电。外力做功使机械能主要转化为电能，发电不是制造能量。

进入模拟器，依次尝试：开路但快速运动、闭路但静止、闭路且沿磁感线方向运动、闭路并横向切割磁感线。先预测电流计是否偏转，再操作验证；最后保持磁场等其他条件不变，把横向切割运动反向，并单独提高速度，区分“方向改变”和“偏转程度改变”分别由什么引起。

相似结构背后的相反任务

电动机和发电机都有磁场和线圈，却不能只凭外形判断名称。电动机先接入电源，利用磁场对通电线圈的作用让线圈转动，能量从电能流向机械能；发电机则要使外电路闭合，并由外力造成线圈与磁场之间的有效相对运动，使穿过线圈的磁场情况变化，利用电磁感应向外电路供电，能量从机械能流向电能。

学完规律后再看中考装置题，可以先问三个问题：线圈是否接电源？是谁让谁运动？电流是原因还是结果？若“先通电，后转动”，通常研究电动机原理；若外电路闭合，并且“先有线圈与磁场的有效相对运动，后有电流”，通常研究发电机原理。比背零件名称可靠得多。

回到开头那枚磁针：条形磁体通过磁场使它受力；拿走磁体，它又在地磁场中稳定。电流产生磁场；变化的电流使扬声器线圈和纸盆振动；通电线圈在磁场中转动，把电能变成机械能；闭合电路中的线圈与磁场有效相对运动、使穿过线圈的磁场情况变化，又产生感应电流，把机械能变成电能。一次磁针偏转，正是电与磁相互联系的入口。

课后练习

8．实验分析题。 小明用相同铁芯和可更换匝数的线圈研究电磁铁强弱。他记录：线圈甲 50 匝、通过 0.8 A 电流，吸起 9 枚大头针；线圈乙 100 匝、通过 1.2 A 电流，吸起 18 枚大头针。他据此断言：“匝数越多，电磁铁越强。”这个结论可靠吗？怎样改进？

9．方向推理题。 某电动机模型正常转动。现只把电源正负极对调，线圈转向怎样变化？若随后又把磁体 N、S 极同时对调，线圈转向与最初相比怎样？请说明理由。

10．装置辨析题。 甲装置把线圈接到电池，闭合开关后线圈转动；乙装置用手柄带动线圈在磁场中转动，外接小灯发光。分别写出两装置的名称、工作原理和主要能量转化，并说明乙装置中若停止摇动会出现什么现象。