一、什么是磁鐵與磁性材料斷路器
1、磁鐵
將一塊磁鐵靠近鐵釘，如圖一所示，會發(fā)現(xiàn)磁鐵即使沒有接觸到鐵釘，也會把鐵釘吸引過來。磁鐵沒有接觸鐵釘就可以將它吸引過來，這是因為磁鐵能產(chǎn)生磁場，是磁場產(chǎn)生的作用力將鐵釘“拉”過來的。
圖一 磁鐵吸引鐵釘
任何一塊磁鐵都有兩個磁極，即N極、S極。由于磁鐵產(chǎn)生的磁場人眼看不見，但實際上又存在，為了表示磁場強弱和方向，通常在磁鐵周圍畫一些帶箭頭的閉合線條，這些線條稱作磁感線(俗稱磁力線)，如圖二所示。磁感線的疏密表示磁場的強弱，磁感線上的箭頭表示磁場的方向。從圖中可以看出，磁鐵N極、S極兩端出來和進入的磁感線最密，所以磁鐵兩端的磁場最強，磁感線箭頭的方向在磁鐵外部是由磁鐵的N極出來，S極進入(在磁內(nèi)部由S極指向N極)。磁場具有同極性排斥、異極性吸引的性質(zhì)。
圖二 磁鐵周圍的磁感線
2、磁鐵材料
如果將一根不帶磁性的鋼棒接觸磁鐵，如圖三所示，會發(fā)現(xiàn)先前不帶磁性的鋼棒現(xiàn)在也可以吸引鐵釘，此時再移開磁鐵，鋼棒還能吸引鐵釘，也就是說，磁鐵接觸鋼棒，使鋼棒也具有了磁性。
圖三 磁化的鋼棒吸引鐵釘
沒有磁性的物質(zhì)在場的作用下帶上磁性的現(xiàn)象稱為磁化現(xiàn)象，這種在磁場作用下能上性的物質(zhì)稱為礎(chǔ)性材料，磁性材料可分為軟磁性材料和硬磁性材料。
①軟磁性材料。軟磁性材料在外部磁場作用下，容易被錯化而帶磁性，外部磁場消失后，其所帶的磁性會隨之消失、剩磁很少，常見的軟磁性材料有純鐵，硅鋼，坡莫合金、錳鋅鐵氧體和保鋅鐵氧體等，軟磁性材料常用在變壓器，電動機，發(fā)電機，接觸器，繼電器和錄音機、攝求像機的磁頭中。
②硬磁性性材料。在外部磁場的作用下，容易被磁化而帶磁性，外部磁場消失后，其性不容易消失，還會保留較強的剩磁。常見的硬磁性材料有二氧化鉻，三氧化二鐵、鐵鉆合金和鐵鐵合金等，硬磁性材料常用在電工儀表，高效能電動機和一些磁記錄設(shè)備中。
二、通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場
先來按圖四所示的方法做一個實驗，在一根不帶磁性的鐵棒上纏繞多匝線圈，再在線圈的引出線上接好開關(guān)和電池，在鐵棒下方有一只小鐵釘。在閉合開關(guān)時，鐵釘馬上被鐵棒吸引過來，斷開開關(guān)，鐵釘又會掉下米。這個實驗說明，通電線圈也會產(chǎn)生磁場，線圈產(chǎn)生的磁場將鐵棒磁化使之帶磁，帶上磁性的鐵棒就能吸引鐵釘。
圖四 通電線圈產(chǎn)生磁場
通電導(dǎo)體能產(chǎn)生磁場，該磁場與磁鐵產(chǎn)生的磁場一樣，都具有大小和方向，通過導(dǎo)體的電流方向變化，導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場方向也會變化。下面來分析兩種類型的通電導(dǎo)體的電流與其產(chǎn)生的磁場的關(guān)系。
1、通電螺旋管導(dǎo)體的電流與磁場關(guān)系
在圖四中，繞在鐵棒上的線圈呈螺旋狀，通常將這種形狀的導(dǎo)體稱為螺旋管導(dǎo)體。對于通電螺旋管導(dǎo)體，通過電流的方向與產(chǎn)生磁場的方向可用右手螺旋定則來判斷。如圖五所示，用右手四指握住螺旋管，四指的彎曲方向與環(huán)形電流方向一致，讓大拇指伸直，大拇指所指的方向就是螺旋管產(chǎn)生的磁場磁感線方向。大家可試著用該方法來分析圖四中線圈產(chǎn)生的磁場磁感線方向。
圖五 用右手螺旋定則判斷通電螺旋管導(dǎo)體的磁場方向
2、通電直導(dǎo)體的電流與磁場關(guān)系
電流通過直導(dǎo)體也會在導(dǎo)體附近產(chǎn)生磁場。對于通電直導(dǎo)體，通過電流的方向與產(chǎn)生磁場的方向也可用右手螺旋定則來判斷。如圖六所示，用右手四指握住直導(dǎo)體，讓伸直的大 拇指指向電流的方向，彎曲的四指所指的方向就是直導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場磁感線的方向。
圖六 用右手螺旋定則判斷通電直導(dǎo)體的磁場方向
三、通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場
通電導(dǎo)體會產(chǎn)生磁場，若將通電導(dǎo)體放在其磁場中（如磁鐵產(chǎn)生的磁場），通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場與其他磁場就會產(chǎn)生吸引或排斥，從而使通電導(dǎo)體收到作用力。通電導(dǎo)體在磁場中受到的力稱為安倍力。
安培力的方向可用左手定則來判斷。如圖七所示，伸開左手手掌，讓大拇指和其余四手指垂直，并且和手掌都在同一平面內(nèi)，把于掌伸入磁場中，讓磁感線垂直穿過手掌，同時讓四指指向?qū)w的電流方向，那么，大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體在磁場中所受安培力的方向。
圖七 用左手定則判斷通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向
導(dǎo)體在磁場中所受安培力的大小與磁感應(yīng)強度B、導(dǎo)體流過的電流I。導(dǎo)體的長度L有關(guān)。導(dǎo)體在磁場中受到的安培力可用下面的式子來計算：F=BILsinα，式中，F(xiàn)為安培力，單位為牛頓(N)：B為磁感應(yīng)強度，單位為特斯拉(T)，它表示磁場中各點磁場的強弱和方向，其大小用該點磁感線的疏密來表示，某點磁感線越密，則該點的磁感應(yīng)強度越大，如果磁場中各點的磁場強弱相同，那么該磁場為勻強磁場，勻強磁場中各點磁感應(yīng)強度是相同的，磁感應(yīng)強度的方向與磁場方向相同；L為導(dǎo)體的長度，單位為米(m)；1為導(dǎo)體通過的電流，單位為安培(A)：α為導(dǎo)體與磁場的夾角，如圖八所示，如果通電導(dǎo)體與磁場垂直，即a=90°，那么通電導(dǎo)體在磁場受到的安培力F=BIL。
圖八 安培力計算公式說明
四、電磁感應(yīng)
電流可以產(chǎn)生磁場，反過來也可以利用磁場產(chǎn)生電流。當(dāng)閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場中切割磁感線，或者穿過閉合電路的磁感線數(shù)量(又稱磁通量)發(fā)生變化時，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)場稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
1、導(dǎo)體在切割磁感線時會產(chǎn)生電流
當(dāng)導(dǎo)體切割磁場磁感線時，導(dǎo)體會產(chǎn)生電動勢，如果將該導(dǎo)體與其它線路接成閉合電路，電路中就有電流流過。如圖九所示，將與電流表連接在一起的導(dǎo)體放在磁場中，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中作切割磁感線運動時，導(dǎo)體中馬上有電動勢產(chǎn)生，此時的導(dǎo)體就相當(dāng)于一個電池，它會輸出電流，電流表表針擺動。
圖九 用右手定則判斷導(dǎo)體切割磁力線時產(chǎn)生的電流方向
導(dǎo)體產(chǎn)生的電動勢方向(也即導(dǎo)體、電流表產(chǎn)生的電流方向)與導(dǎo)體的運動方向、磁場的方向有關(guān)，導(dǎo)體產(chǎn)生的電動勢的方向可用右手定則判斷。具體如圖九所示，伸開右手，讓拇指和四指垂直并 且在同一平面內(nèi)，將右手掌放入磁場 中，讓磁感線垂直穿過掌心，拇指指向?qū)w運動的方向，四指所指的方向就是導(dǎo)體產(chǎn)生電動勢的方向，也是導(dǎo)體產(chǎn)生電流的方向。
在圖九中，如果導(dǎo)體靜止不動，而讓磁場橫向運動，導(dǎo)體也會切割磁感線，導(dǎo)體中也有電動勢產(chǎn)生。在這種情況下判斷導(dǎo)體電動勢的方向時，應(yīng)將磁場運動的相反方向看作導(dǎo)體的運動方向，如磁場往左運動可以看成是磁場不動而導(dǎo)體往右運動，再用右手定則來分析導(dǎo) 體產(chǎn)生的電動勢方向。
導(dǎo)體在磁場中切割磁感線時會產(chǎn)生電動勢，其產(chǎn)生的電動勢大小可用下面公式計算：E=BLVsinα，式中E為電動勢，單位為伏特(V)；B為磁感應(yīng)強度，單位為特斯拉(T)；L為導(dǎo)體 的長度，單位為米(m)：V為導(dǎo)體在磁場中的運動速度，單位為米每秒(ms)：α為導(dǎo)體運 動方向與磁場方向的夾角，導(dǎo)體運動方向與磁場方向垂直時，α=90°。
2、閉合電路在磁通量變化時會產(chǎn)生電流
除了導(dǎo)體切割磁感線會產(chǎn)生電動勢外，閉合電路的磁通量發(fā)生變化時也能產(chǎn)生電動勢。 為了說明閉合電路磁通量發(fā)生變化能產(chǎn)生電動勢，先按如圖十所示做一個實驗，將線 圈與一個電流表連接起來，電流表表針不動，然后拿一塊磁鐵靠近線圈。當(dāng)磁鐵插入線圈時電流表表針會擺動，說明線圈有電流產(chǎn)生：當(dāng)磁鐵插在線圈中不動時，表針不動，說明線圈無電流產(chǎn)生：當(dāng)突然拔出磁鐵時，表針又發(fā)生擺動，說明線圈又有電流產(chǎn)生，但表針此刻的擺動方向與插入磁鐵時的擺動方向相反。
圖十 閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化時產(chǎn)生電流的實驗
在該實驗中，當(dāng)插入磁鐵時，穿過線圈的磁感線數(shù)量增多(即磁通量增多)：當(dāng)拔出磁穿過線圈的磁感線數(shù)量減少(即磁通量減少)，線圈中都有電流產(chǎn)生：而磁鐵在線圈中不動時，穿過線圈的磁感線數(shù)量不變(即磁通量不變)，線圈中無電流產(chǎn)生。因此可以得出這樣的結(jié)論：當(dāng)穿過線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈會產(chǎn)生電動勢：當(dāng)線圈與其他元器件組成閉合電路時，線圈中就有電流產(chǎn)生。
線圈產(chǎn)生的電動勢方向與穿過線圈的磁通量有關(guān)，它們之間的關(guān)系可用楞次定律來判斷。楞次定律指出：閉合線圈的感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。具體來說，當(dāng)穿過線圈的磁通量增多時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流所形成的磁場要阻礙磁通量增多：當(dāng)穿過線圈的磁通量減少時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流所形成的磁場要阻礙磁通量減少。
利用楞次定律可判斷線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向。具體是：先判斷穿過線圈的磁通量方向及變化趨勢(即是增大還是減小)，再根據(jù)感應(yīng)電流的磁場總是阻礙磁通量變化的原則，來確定感應(yīng)電流的方向。下面以圖十一所示兩種情況來進一步說明。
在圖十一(a)中，穿過線圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有增多的趨勢。根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙磁通量變化的原則，確定線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場應(yīng)是上N下S，因為只有線圈產(chǎn)生上N下S的磁場才能阻礙下N上S并且增多的磁通量(可理解為同性相斥，線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的上N下S的磁場阻礙下N上S的磁鐵靠近)，確定線圈產(chǎn)生的磁場方向后，再用右手螺旋定則不難判斷出線圈的感應(yīng)電流方向是由下往上。
在圖十一(b)中，穿過線圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有減少的趨勢。根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙磁通量變化的原則，確定線圈產(chǎn)生的磁場應(yīng)是上S下N，因為只有線圈產(chǎn)生上S下N的磁場才能阻礙下N上S并且減少的磁通量(可理解為異性相吸，線圈產(chǎn)生的上S下N的磁場吸引下N上S的磁鐵，阻礙其離開)，確定線圈產(chǎn)生的磁場方向后，再用右手螺旋定則不難判斷出線圈的感應(yīng)電流方向是由上往下。
圖十一 用楞次定律判斷線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向
線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小可用法拉第電磁感應(yīng)定律來計算。法拉第電磁感應(yīng)定律指出：閉合線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小與穿過回路的磁通量的變化率成正比，其數(shù)學(xué)表達式為：
式中，E為電動勢；N為線圈的匝數(shù)；ΔΦ表示磁通量的變化量；Δt表示磁通量變化ΔΦ表示磁通量的變化量；Δt表示磁通量變化ΔΦ變化相同，但變化所需的時間Δt更短，故線圈產(chǎn)生的電動勢會更高。
五、自感與互感
1、自感
圖十二為兩個實驗電路，在圖(a)電路中，當(dāng)開關(guān)閉合時，燈泡HL2馬上變亮，而燈泡H1慢慢變亮，然后亮度不變；在圖(b)電路中，當(dāng)開關(guān)閉合時，燈泡HL馬上變亮，開關(guān)斷開時，HL不會馬上熄滅，而是慢慢熄滅。
為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？原來當(dāng)流過線圈的電流發(fā)生變化時，線圈會產(chǎn)生電動勢。由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，由自感產(chǎn)生的電動勢稱為自感電動勢，電動勢的方向總是要阻礙電流的變化。
在圖十二 (a)電路中，當(dāng)開關(guān)閉合時，流過線圈的電流由無到有，該電流是一個增大的電流，線圈馬上產(chǎn)生左正右負的自感電動勢，阻礙增大的電流通過(可理解為線圈左端為正，左端電位升高，電流較難通過)，由于自感電動勢的阻礙，流過線圈的電流只能慢慢增大，故燈泡HLI慢慢變亮，當(dāng)電流達到最大值不再變化時，線圈的自感電動勢消失，燈泡亮度保持不變:在圖圖十二 (b)電路中，當(dāng)開關(guān)斷開時，流過線圈的電流突然減小，線圈馬上產(chǎn)生左負右正的自感電動勢，阻礙電流減小(可理解為線圈左端為負，左端電位下降，吸引電流通過線圈)，由于線圈與HL組成一個閉合電路，線圈此刻就像是一一個左負右正的電池，它產(chǎn)生電流流過HL,電流方向是線圈右正-HL線圈右負，電流在線圈內(nèi)部是由左端流到右端，隨著流過HL和線圈的電流不斷減小，線圈產(chǎn)生的電動勢不斷降低，當(dāng)電流為0時，線圈的電動勢也為0。
線圈產(chǎn)生的自感電動勢大小與電流的變化率AI/At成正比，與線圈的自感系數(shù)L (又稱電感量，其大小與線圈匝數(shù)等有關(guān)，匝數(shù)越多，L值越大)也成正比，自感電動勢的數(shù)學(xué)表達式為：
2、互感
圖十二為一個實驗電路，在一個環(huán)形鐵芯上繞有兩組線圈，一組線圈(稱作一次繞組)接電源和開關(guān)，另一組線圈(稱作二次繞組)接一只電流表，當(dāng)開關(guān)閉合時，會發(fā)現(xiàn)電流表的表針擺動一下，然后不動。
為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?原來當(dāng)開關(guān)閉合時。一次繞組突然有增大的電流（從無到有）通過，繞組馬上產(chǎn)生自感電動勢阻礙該電流增大，因此流過一次繞組的電流只能慢慢增大。此電流產(chǎn)生的磁場慢慢增強，該逐漸增強的磁場沿著鐵芯穿過二次繞組，即穿過二次繞組的磁通量逐漸增大，根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律可知，當(dāng)穿過線圈的磁通量發(fā)生變化時，線圈會產(chǎn)生電動勢，因此二次繞組會產(chǎn)生電動勢，二次繞組與電流表接成閉合回路，電流表就有電流通過。開關(guān)閉合后，當(dāng)一次繞組的電流達到最大值不再變化時，產(chǎn)生的磁場也不變化，穿過二次繞組的磁通量也就不變，二次繞組不再產(chǎn)生電動勢，電流表無電流通過。當(dāng)開關(guān)斷開時，電流表表針也會擺動一下，其原因可自行分析。
一個線圈的電流變化而使其它線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。由互感而產(chǎn)生的電動勢稱為互感電動勢。互感電動勢的大小與穿過本線圈的磁通量變化率成正比，互感電動勢的計算比較復(fù)雜，這里不作介紹。變壓器、電壓互感器和電流互感器都是利用互感原理來工作的。
互感現(xiàn)象不僅會發(fā)生在兩個相距很近的線圈之間，也會發(fā)生在任意兩個相互靠近的電路之間，這樣容易引起干擾，給電路加設(shè)屏蔽罩可減少或避免這種干擾。
