[原创]电磁体的运动与控制应用

chenshuxuan · 发表于 2004-10-13 23:53:00

电磁体的运动与控制应用

陈叔瑄

《物性论》一书与《论电的可变性和暂态性》一文指出：场物质简称场质是高速运动的物质状态，实物（天体、物体、粒子）通常成为场质的源头和归宿。实物周围存在各式各样场质，其重叠性质各不相同。同类场质速度同向重叠速度变大，因能密度趋匀使质量密度趋于变小，即具有弥漫（弥散）、扩散、膨胀趋势。场质速度反向重叠速度变小，质量密度趋于变大，即具有浓缩、吸收、收缩趋势。对于微涡旋场质情况类似，当微涡旋同向重叠时，角速度或线速度变大，具有弥漫、扩散、膨胀趋势。当微涡旋反向重叠时，角速度或线速度变小，具有浓缩、吸收、收缩趋势。对于加速运动场质(多半是粒子破裂所产生交换不平衡引起的)情况则不同，因为物质速度愈大，加速度愈小，极限速度时加速度为零。因此场质加速度同向重叠时加速度增大，速度减少，具有浓缩、吸收、收缩趋势。场质加速度反向重叠时加速度减少，速度增大，具有弥漫、扩散、膨胀趋势。不同类场质间是各不相干的。

宇宙中元素原子是物质涡旋运动生成的，稳定时元素原子处于一定分布的壳粒周期性同步的变换运动和交换作用，形成可用径量子数、轨道量子数、磁量子数、对称（自旋）量子数等四个量子数的波函数或波动方程描述。由于元素生成环境条件不可能完全一致，从而同元素原子质量不可能一样，构成了波函数统计性，所谓元素原子量是同元素原子质量统计平均值。这些等价量子力学波函数和波动方程描述，并在观念和原理上给予更深刻的意义，尤其在自旋、磁性、能级、统计性的深刻解释，甚至有所发展和应用。原子壳粒子不管用什么方法（摩擦、感应、导体在磁场中相对运动等）使其脱离，就会出现交换不平衡而带电的，电是粒子周围交换不平衡所出现的场物质运动一种现象。

一、基本原理

《物性论》与《物性理论及其工程技术应用》两书从粒子涡旋运动或涡旋组合运动出发，指出任何粒子都是涡旋运动浓缩质量而成的，而涡旋运动浓缩质量平衡趋势必形成交换及其微旋化。若高速微涡旋速度沿轴向所构成螺旋线一端出必在另一端入的磁场质，即形成粒子周围磁性或磁场，否则高速微旋化则形成量子或低速微旋化则形成更深层次的粒子。两书指出原子壳粒破裂或离开核时出现交换不平衡，即生成电性。电磁主要应用于电能变换传输（电力）与电磁场信息传输（通讯）两方面，后者在《场质论》一文中专门探讨，而本文主要是电力（电磁能量传输）及其控制方面应用。对于实物及其周围电磁性能可归结出三条基本原理：

1、实物材料生电易难程度可分为绝缘体、半导体、导体、超导体等。绝缘体通过摩擦迫使壳粒脱离实物体出现交换不平衡而生电的。通过感应使导体易脱离的壳粒脱离原子核移动接近缺壳粒实物体或离开多余壳粒实物体端而生电的，甚至重量子与壳粒碰撞，分别制动和加速而生成正负电，反之正负电接触也可转化变换为量子。或在导体两端加电压迫使壳粒脱离原子核往缺壳粒正极移动而形成电流。还可推动导体在磁场中运动（导体壳粒受到磁场感应，形成与磁场相反的涡旋，导体涡旋移动有同向弥漫侧趋向反向浓缩侧趋势）则会在导体中移动而产生电流，即机械能转化变换为电能的发电机制，统称为实物材料生成电或电流的生电发电原理。它是法拉弟定律右手定则新解释。

ΔE=FΔι=IΔΦ=IBΔS

ΔE/Δt=IΔΦ/Δt=IË

在穿过面积ΔS的磁场B或磁通量ΔΦ一定情况下，机械能改变量或做功ΔE愈大所产生的电流I愈大。机械功率或动能改变率愈大，相应产生愈大的电流I和电动势Ë。

2、磁场质产生于涡旋体轴向运动微涡旋所形成的高速螺旋线，出来一端为北极N，进去一极为南极S。即相应于磁场中磁力线，可用涡量描述。也可产生于电粒子运动或电流的周围，但电流通过螺旋管子周围组合成高速螺旋线，出来一端为北极N和进入一端为南极S，相应用于磁力线。磁铁棒或磁针周围存在由N极到S极并经过磁体内闭合场质螺旋线，即磁力线。当其沿着NS方向运动时，磁体内外螺旋线移动存在差异，前沿螺旋线向里，叠加上反向速度，具有浓缩趋势，磁体内变化较慢，在前沿出现磁棒或磁针（前沿趋向后沿）浓缩性附加磁螺旋线，即阻碍磁场变化趋势。当磁体沿SN方向运动时，前沿螺旋线叠加上同向速度，具有弥漫趋势，磁体内弥漫较慢而前沿出现磁棒或磁针（后沿趋向前沿）弥漫性附加磁螺旋线，即阻碍磁场变化趋势。这就是磁体运动楞次定律的实质。

导体内带正电粒子移动通常从相对静止到运动的加速度（向右）与粒子前沿（向左）加速场质加速反向叠加，具有弥漫趋势，后沿（向右）加速同向叠加，具有浓缩趋势，使场质前沿向后沿运行，形成上侧向外，下侧向里的环状磁场质或磁场。一根通以电流（向右）导线同样地产生上侧向外，下侧向里的环状磁场质或磁场。两根同向电流导线相邻时，邻侧微涡量反向叠加具有浓缩趋势，外侧同向叠加具有弥漫趋势，外侧趋向邻侧而靠近，相应于磁场相吸。两导线通以相反电流，邻侧微涡量同向叠加具有弥漫趋势，外侧微涡量反向叠加具有浓缩趋势，形成邻侧向外侧而推出，相应磁场相斥。

除涡旋运动生磁之外，易移动的带电（负电）粒子具有向外加速场质，其前沿同向加速增大而速度减少具有场质浓缩趋势，后沿反向重叠加速减少而速度变大具有场质弥漫趋势，生成后沿向前沿场质环流或场环涡量（环磁场）。同样地移动通以电流导体（电流习惯指定为壳粒运动相反方向）壳粒加速场质向外，后沿与移动加速反向而速度变大具有弥漫，有向前沿同向而速度变小浓缩趋势，形成后沿向前沿的右手定则环磁场。

B=μH=2μI/r

通电流导线周围产生磁感应强度B与电流I成正比而与距离r成反比。在外磁场中重叠同向侧弥漫趋向反向重叠浓缩侧趋势而产生作用或导体移动，并遵守左手定则。如果磁场和通电导线结构一定，电流愈大，可做的机械功或动能改变量愈大。称为电流生成磁场与磁场作用导线电流做功的生磁电动原理。它是电能转化变换机械能的安培定律新解释。

3、导线电能传输中壳粒周期性往返运动，在其周围则产生电磁波辐射，电场质暂态性使壳粒往返频率愈高愈易生成电磁波量子流并辐射出去，另一方面导线电能传输中电流愈大，在电阻上热消耗愈强，从而导线电能传输要求在低频率高电压条件下传输。通常发电机的机械运动速度限制，频率不可能太高，电压也不可能太高。低频交变电流磁场可以通过变压器来改变电流，变压器热消耗可忽略的话，变压器初级线圈功率等于次级线圈功率，即电流乘电压等于功率不变，使电流大幅度减少，电压大幅度提高。电力之所以需要低频率传输，因为频率愈高传输导线愈易辐射，以减少辐射损耗；电力之所以需要高电压传输，因为同样功率传输而电压愈高通过导线电流愈小，可减少电阻热损耗。

电流为何不采取直流传输？这里至少有两种因素决定不采取直流传输。首先电的暂态性，电荷移动一定时间，导体壳粒电性会逐渐消失，电能转化为其它能量形式，无形中多消耗电能。交流导体壳粒往返于原子核周围运动，电性尚未消失电能量已传递给下一个原子的壳粒，实现电能传递或传输。从而限制了电能传输频率不能太低到零，即用直流电进行远距离传输。其次直流电难以通过变压器实现高低电压的变换，使用非常不方便，从而远距离直流电损耗较大，以致电力工业基本上不采取直流远距离传输电能。

电可在低频高电压下易实现远距离传输和实现自动控制、指挥调度特点，许多能源如热能、水力、核能等变换为电能进行传输，又如利用太阳能、地热能与其它能量变换为电磁能量进行传输。各种能量形式通过变换成交变电能，较易通过变压器变成非常高的电压，甚至并网化成共用的电力，以便统一分配调度。各种能源变换、电力传输、分配调度、生产过程等都需要自动化，即电力来源、传输、使用（通常是机电一体化）无不需要自动化。不同材料在不同条件和组合方式下具有不同磁性和导电性能，分别为顺磁性、逆磁性、铁磁性和超导体、导体、半导体、绝缘体等的材料，其有机组合和条件控制可以实现电力产生、传输、使用自动化。称电力低频高压传输和自动控制原理。

二、电的产生应用

不管是机械能生电及其转化为电能，或者电流生磁及其磁体间作用而运动，即电磁能转化为机械能，还是电能变换传输和控制等都属于能量变换和能量变换效率（功率）问题，低频高压传输可以提高导线电磁能量传输效率。对于用户来说，电压太低导线消耗太大，电压太高对人体危险性大大增加，因此目前各国多半采取电压220V，频率50HZ作为家用电的标准。而远距离传输才采取变压器变换为高压，到近用户又由变压器变换为标准电压。规定标准是必要的，以便各种各样电器的电源设计有所依据。

1、家电应用

现代生活根本离不开电力或电能，照明、家用电器、电视等都离不开电，而且控制很方便，只要电路加上插座、插头、开关、保险熔丝、按钮、按键等就可以利用电的暂态性随时通断控制。电力或者说电能传输与控制，使各家各户方便地根据需要随时使用电能。一到夜晚使千家万户照明，整个街道、整个城市照明通亮，构成一幅幅美丽夜间景观。照明灯具愈来愈繁多，可谓五彩缤纷，它们都是电能转化为光热能量的一种方式。不管灯具结构多么不同，如常见的白炽灯、日光灯、霓虹灯等，都是电能通过一定方式电流作用转化为光量子流能量。

电能传输变换和简单控制可以直接推动电风扇、排气扇、抽油烟机、热水器、电火锅、微波炉、洗衣机、消毒柜、电冰箱、空调机等家用电器工作。有的不过外加些特殊功能设备，就可以做相应的工作。如洗衣机外加定时器控制电机旋转的正反向和时间长短。又如电冰箱通常由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、温度控制器、定时器等构成的，自行定时开通压缩机循环致冷材料，对电冰箱致冷。再如微波炉是一种新型的现代化电子炉具，微波是一种高频率电磁波，遇到不同物质有着不同的效果。遇金属反射，遇陶瓷、玻璃、塑料则穿透，构成无油烟、无明火等污染炉具。

有的电器内的电压工作在直流电压和电流，甚至非常低直流电压和电流下工作，如收音机、音响设备、电视机、CVD、DVD、电脑、打印机、电池充电器等。从而出现大量适应各种各样电器需要的低压变压器和整流器、稳压器等构成的电源。实际上是交流电能变换为直流电能的一种方式，以便对电器提供直流电源。以收音机为例，收音机中有震荡器、多级电压放大器、捡波器、功率放大器等及其内部器件都需要直流电源提供电能源，才能产生相应的电性能和功能。一旦断电或停电，这些电器和器件立即失去电性能和功能，实际上就是电暂态性必然结果。

2、工业用电

工业生产用的最多是各种各样的电动机带动机械运动，异步电机结构简单牢固（主要由导线组成线圈定子和磁体转子两部分构成的）、工作可靠、维修方便、寿命较长、成本低等优点，广泛用于各种各样工业部门。电机设计有所差别的，作为不同机械特殊动力，即电磁能量转化为机械能量特殊过程。例如用防护式异步电动机带动车床、钻床、刨床、铣床等各种加工机床，用起重异步电动机带动传送带、吊车或电梯等，可以于一定距离往高处或低处运送材料、设备或人。又如用于要求低转速，大转矩的机械的运输机械、矿山机械、炼钢机械、造纸、制糖、化工搅拌机械等常采取齿轮减速异步电动机。又如利用力矩异步电动机带动纺纱机、织布机、印染、橡胶、冶金等各种纺织化工机械设备，起了电能转化机械能作用。由于多半机械离不开电，从而提出产品机电一体化设计要求。

电力很重要设备是变压器及其配件，变压器主要分为单相变压器和三相变压器，电力变压器是指大容量三相变压器。变压器铁芯由铁柱和铁轭两部分组成的，绕组套装在铁柱上，而铁轭用于使整个磁路闭合。大多数电力变压器采取同芯式绕组，为了便于绝缘一般低压侧的绕组放在里面，高压侧的绕组套在外面。也不少变压器绕组用交迭式布局。在远距离输送电力网通常先通过电力变压器升到几千、几万伏，以减少线路上损耗。到了近用户处再将其降压到标准电压220V的配电变压器。当电能从10千伏电路送变电所后，首先经过跌落熔丝，再由电缆将电能送到变压器的一次侧高压隔离开关和负荷开关，两者间装有继电保护的电流互感器，然后才经配电变压器送到低压220V母线上。再根据各种用户需要再有小型单相变压器降到所需要电压的，以便提供各种设备用电的需要。主要起电能变换作用。根据各种用途可以制成自耦变压器、整流变压器、感应调压器、电流互感器、电磁式稳压器、控制用变压器、音频变压器等等。

工业生产上往往需要较大电流甚至较高电压的直流电，如电镀、电解、充电、励磁、电机调速、控制电路电源等，除使用直流电机外，主要还是通过整流器将交流电变换为直流电来使用。然而晶体管整流器电流小电压低，不太满足工业生产的需要，在工业上主要采用可控硅来实现整流的。可控硅是一种大功率半导体器件，由PNPN四层半导体硅构成的，当最底层P阳极接正，最上层N阴极接负，为正向连接，但仍处于截止状态。阴极下一层P接控制极，一旦控制极与阴极间加上正电压，阴阳极间便出现导通大电流，即使此时控制端断开，仍然保持大电流，控制端只起触发作用。要停止正向电流只能通过电压降到零。如果阴极接正，阳极接负，不管控制端有没有电压，都处于截止状态。外形和结构多半是螺栓式和平板压接式两种，主要利用可控硅正反向导电性能不同特性，来控制交变电流运行方向而起整流作用。

3、电力自动化

通常控制电路是晶体管组成的弱电系统，而电力又是强电系统，这两者矛盾可通过像继电器、可控硅之类器件来解决。继电器的触点用来控制强电系统，所起的作用相当普通的电力开关，而继电器线圈则受弱电系统，如晶体管线路的控制。继电器各种各样的组合可以实现电机的启、停、快、慢、正、反、进、退等的控制。控制还包含测量参数，如各种参量变送器，然后比较运算的运算器，调节信号的调节器，记录打印参量的记录仪打印机，甚至通过执行机构去控制。为了使自动化仪器仪表标准化，便于仪器仪表间连接，约定输出、输入标准为0到10毫安。

现代更进一步要求自动化仪器仪表数字化，以便与微型计算机系统联机控制。我们在研制《MM-1000摩擦试验机微型计算机系统》时就是将变送器所产生信号通过模数变换器变换成数字量，计算机本身有很强数据处理运算能力，省去模拟运算器和调节器，处理结果直接经过数模转换，直接去控制继电器，再进而控制强电系统，使摩擦试验机能够按照计算机编制的程序进行工作。

三、电力测量

发电机器一停止或者开关断开，立即停止发电或通电，这本来就是电暂态性或机械能停止转化为电能的必然结果，但人们总是按传统观念，解释为正负电中和。发电机器启动或电路开关合上，就立即通电，用电流表测量通过线路的电流，电压表测量线路的电压，电度表测量使用消耗过的电能。为了更方便起见，将其组合制成万用电表，可以测量交直流电流、电压、电阻等等。电仪器仪表解决电之模不着、看不见、听不到特点，扩大人们视野的有力工具。可见许多自然过程看不见、听不到、模不着就是通过某些仪器工具观察到的，扩大人的五官的感觉不足之处。不要以为五官感觉不到的就不是自然界物质。

参考资料：

1、《物性论-自然学科间交叉理论基础》陈叔瑄著厦门大学出版社1994年出版

2、《物性理论及其工程技术应用》陈叔瑄著香港天马图书有限公司2002年出版

3、《思维工程-人脑智能活动和思维模型》陈叔瑄著福建教育出版社1994年出版

4、《电工手册》电工手册编写组上海科学技术出版社1985年印刷

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