知识 | 电机如何从楞次定律到反电动势来实现了的运转？

楞次定律是以1834年物理学家埃米尔·楞次（Emil Lenz）的名字命名的，他在1834年提出了这一定律指出，在导体中，由变化的磁场感应的电流的方向是，由感应电流产生的磁场与初始变化的磁场相反。这是一个定性定律，它规定了感应电流的方向，但对其大小却只字不提。Lenz定律解释了电磁学中许多效应的方向，如电流变化在电感器或导线回路中感应的电压方向，或在磁场中作用在运动物体上的涡流阻力。

安培定则告诉了我们，电能的流动会产生磁场，因此将线圈通电后，会依照安培右手定则产生N极或是S极的磁场；也就是电能可以转换产生磁能。

牛顿运动定律中有一个法则称之为”动者恒动，静者恒静”，它描述了一个有趣的物理现象，在物理界中的一切都喜欢维持既有状态；在动力学中，这种维持既有状态的能量又称为电势能，想要改变既有状态，则必须施加外来能量的冲击，且要大于原本电势能的大小，称之为平衡。一但突破了平衡，物理的形态就改变了，成为了一种新的既有状态，就是有个物体不动，处于既有的电势能状态，你花了力量推它之后，突破它原有的平衡，一但它开始移动后，移动成为了另一种既有状态，则还需要有额外的能量来改变它，才会再次改变形态。

将上述两种物理现象结合后，安培定则及牛顿运动定律，就变成了楞次定律，其产生的基本方式描述如下，将磁铁接近一组线圈就如同下图所示，这因物理现象希望这两物体间能维持前一既有位置关系，当把磁铁往线圈靠近时，线圈会主动感应排斥力的磁极，好让两物体还是能维持相同的距离。反之，若磁铁是要受到外力影响产生要远离的力量，则线圈会主动感应出吸引的磁力，好让两物体维持相同的距离。

以更白的话说来，就是两人很有默契地维持同样的距离，当一方要靠近，则另一方就产生排斥力，不让你过来；但一方想要离开时，另一方又产生吸引力，想要把你吸回来，这种尽可能维持相同距离的关系，就是牛顿运动定律中的”动者恒动，静者恒静”的道理。又由于作用的是磁能与电能间的关系，所以会依赖安培定则，这将这两者合并所产生出來的电能与磁能的感应关系，就是楞次定律。

楞次定律的解释实验中，最有趣的是一种称之为安哥拉圆盘(Arago’s disk)的实验，是利用磁铁带动铝盘移动的裝置。实验一开始会先用磁铁去吸铝盘，然而铝材并不导磁，所以並不会被磁铁吸附住，当磁铁于铝盘上快速移动时，铝盘就像是被磁铁吸住而跟着跑一样，其原因就是楞次定律，因为铝材虽然不导磁，但会导电，因此磁铁靠近时，铝盘为了维持原本的距离关系，需要排斥力作用，而在铝盘上感应生成了电流，产生磁力。我们已经知道当磁铁靠近铝盘，则铝盘会感应电流产生磁极排斥力。

此时将磁铁顺着铝盘圆周宜动，则会顺着移动方向的前方产生排斥磁极，后方则因此磁铁要离开，改为形成吸力磁极。

则铝盘受到感应磁力的作用，而被磁铁拖着跑，就像铝盘忽然具有导磁能力，被磁铁带着跑的情況一样。

将安哥拉圆盘(Arago disk)的理论延伸应用，且可说是楞次定律最具代表性的作品，那就是感应电机了。感应电机的名称取得十分贴切，表明了这类型的电机磁力的产生是依靠感应而来的，但也是因为这感应的作用是需要时间来反应生成的，所以感应电机是一种非同步电机，也就是电源切换的频率与转速会有差异，在感应电机中的专业名词称为”异步”或“滑差”。

楞次定律其实解释了发电机的原理，是由磁能状态的变化，来产生相对应的电能来抵制磁能的变化。也是一种极能代表楞次定律的应用例子。也因此在永磁电机中，当有一外力带动电机转子旋转时，于定子线圈上会量到电压及电流值，在永磁电机中称为反电动势。其实也就是线圈感应到磁铁接近或离开时，自动感应出电能，想要抵抗磁能变化的能量。

结论

牛顿运动定律也告知”作用力等于反作用力”，也就是两物体间瞬间要变化的情況越激烈，则产生的抵抗力也就越大。在楞次定律的实验中可以发现，磁铁移动的速度越快，则产生的电能就越大，而且移动的速度也就越快；磁铁选择磁力越强的，也会产生相同的效果。两着合并起来解释就是，单位磁间內磁能变化幅度越大，则感应出的电能亦越大。若要让永磁电机的极速拉高，则磁铁的磁力要变小，反电动势会抵抗输入电压，所以要降低反电动势的电压值，就必需降低磁能的变化幅度，才能让电机转得更快，这原则也造就了弱磁控制的方法，来延伸电机极速范围。

来源 | 今日电机