楞次定律最具代表性的作品：感應(yīng)電機(jī)

楞次定律是以1834年物理學(xué)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(dǎo)體中，由變化的磁場(chǎng)感應(yīng)的電流的方向是，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與初始變化的磁場(chǎng)相反。這是一個(gè)定性定律，它規(guī)定了感應(yīng)電流的方向，但對(duì)其大小卻只字不提。Lenz定律解釋了電磁學(xué)中許多效應(yīng)的方向，如電流變化在電感器或?qū)Ь€回路中感應(yīng)的電壓方向，或在磁場(chǎng)中作用在運(yùn)動(dòng)物體上的渦流阻力。

安培定則告訴了我們，電能的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此將線圈通電后，會(huì)依照安培右手定則產(chǎn)生N極或是S極的磁場(chǎng)；也就是電能可以轉(zhuǎn)換產(chǎn)生磁能。 牛頓運(yùn)動(dòng)定律中有一個(gè)法則稱之為”動(dòng)者恒動(dòng)，靜者恒靜”，它描述了一個(gè)有趣的物理現(xiàn)象，在物理界中的一切都喜歡維持既有狀態(tài)；在動(dòng)力學(xué)中，這種維持既有狀態(tài)的能量又稱為電勢(shì)能，想要改變既有狀態(tài)，則必須施加外來(lái)能量的沖擊，且要大于原本電勢(shì)能的大小，稱之為平衡。一但突破了平衡，物理的形態(tài)就改變了，成為了一種新的既有狀態(tài)，就是有個(gè)物體不動(dòng)，處于既有的電勢(shì)能狀態(tài)，你花了力量推它之后，突破它原有的平衡，一但它開始移動(dòng)后，移動(dòng)成為了另一種既有狀態(tài)，則還需要有額外的能量來(lái)改變它，才會(huì)再次改變形態(tài)。 將上述兩種物理現(xiàn)象結(jié)合后，安培定則及牛頓運(yùn)動(dòng)定律，就變成了楞次定律，其產(chǎn)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(xiàn)象希望這兩物體間能維持前一既有位置關(guān)系，當(dāng)把磁鐵往線圈靠近時(shí)，線圈會(huì)主動(dòng)感應(yīng)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(chǎn)生要遠(yuǎn)離的力量，則線圈會(huì)主動(dòng)感應(yīng)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(lái)，就是兩人很有默契地維持同樣的距離，當(dāng)一方要靠近，則另一方就產(chǎn)生排斥力，不讓你過來(lái)；但一方想要離開時(shí)，另一方又產(chǎn)生吸引力，想要把你吸回來(lái)，這種盡可能維持相同距離的關(guān)系，就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律中的”動(dòng)者恒動(dòng)，靜者恒靜”的道理。又由于作用的是磁能與電能間的關(guān)系，所以會(huì)依賴安培定則，這將這兩者合并所產(chǎn)生出來(lái)的電能與磁能的感應(yīng)關(guān)系，就是楞次定律。

楞次定律的解釋實(shí)驗(yàn)中，最有趣的是一種稱之為安哥拉圓盤(Arago’s disk)的實(shí)驗(yàn)，是利用磁鐵帶動(dòng)鋁盤移動(dòng)的裝置。實(shí)驗(yàn)一開始會(huì)先用磁鐵去吸鋁盤，然而鋁材并不導(dǎo)磁，所以並不會(huì)被磁鐵吸附住，當(dāng)磁鐵于鋁盤上快速移動(dòng)時(shí)，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?yàn)殇X材雖然不導(dǎo)磁，但會(huì)導(dǎo)電，因此磁鐵靠近時(shí)，鋁盤為了維持原本的距離關(guān)系，需要排斥力作用，而在鋁盤上感應(yīng)生成了電流，產(chǎn)生磁力。我們已經(jīng)知道當(dāng)磁鐵靠近鋁盤，則鋁盤會(huì)感應(yīng)電流產(chǎn)生磁極排斥力。

此時(shí)將磁鐵順著鋁盤圓周宜動(dòng)，則會(huì)順著移動(dòng)方向的前方產(chǎn)生排斥磁極，后方則因此磁鐵要離開，改為形成吸力磁極。

則鋁盤受到感應(yīng)磁力的作用，而被磁鐵拖著跑，就像鋁盤忽然具有導(dǎo)磁能力，被磁鐵帶著跑的情況一樣。

將安哥拉圓盤(Arago disk)的理論延伸應(yīng)用，且可說是楞次定律最具代表性的作品，那就是感應(yīng)電機(jī)了。感應(yīng)電機(jī)的名稱取得十分貼切，表明了這類型的電機(jī)磁力的產(chǎn)生是依靠感應(yīng)而來(lái)的，但也是因?yàn)檫@感應(yīng)的作用是需要時(shí)間來(lái)反應(yīng)生成的，所以感應(yīng)電機(jī)是一種非同步電機(jī)，也就是電源切換的頻率與轉(zhuǎn)速會(huì)有差異，在感應(yīng)電機(jī)中的專業(yè)名詞稱為”異步”或“滑差”。 楞次定律其實(shí)解釋了發(fā)電機(jī)的原理，是由磁能狀態(tài)的變化，來(lái)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電能來(lái)抵制磁能的變化。也是一種極能代表楞次定律的應(yīng)用例子。也因此在永磁電機(jī)中，當(dāng)有一外力帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，于定子線圈上會(huì)量到電壓及電流值，在永磁電機(jī)中稱為反電動(dòng)勢(shì)。其實(shí)也就是線圈感應(yīng)到磁鐵接近或離開時(shí)，自動(dòng)感應(yīng)出電能，想要抵抗磁能變化的能量。

結(jié)論 牛頓運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生的抵抗力也就越大。在楞次定律的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，磁鐵移動(dòng)的速度越快，則產(chǎn)生的電能就越大，而且移動(dòng)的速度也就越快；磁鐵選擇磁力越強(qiáng)的，也會(huì)產(chǎn)生相同的效果。兩著合并起來(lái)解釋就是，單位磁間內(nèi)磁能變化幅度越大，則感應(yīng)出的電能亦越大。若要讓永磁電機(jī)的極速拉高，則磁鐵的磁力要變小，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)抵抗輸入電壓，所以要降低反電動(dòng)勢(shì)的電壓值，就必需降低磁能的變化幅度，才能讓電機(jī)轉(zhuǎn)得更快，這原則也造就了弱磁控制的方法，來(lái)延伸電機(jī)極速范圍。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：電機(jī)如何從楞次定律到反電動(dòng)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)了的運(yùn)轉(zhuǎn)？

文章出處：【微信公眾號(hào)：電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。