电机制造业的先驱-坡印亭：电磁场能量流动理论及电机工作原理

坡印亭(John Poynting 1852-1914)生于曼彻斯特，在剑桥大学物理数学专业取得了优异的成绩，19世纪70年代后期，在卡文迪什研究所麦克斯韦教授门下研究电磁气学。1884年初发表了能量流理论，之后从事光照射的压力与接线力的研究，时至今日在曼彻斯特，知晓这位伟大物理学家的人也是为数不多。

坡印亭矢量-电磁场的能量流动理论

在宇宙空间中，电磁波为光的一种，是能量的搬运载体，该能量流动的相关理论是由英国的坡印亭提出的，即能量流动的密度P为电场强度E和磁场强度H的矢积。

P =E ×H

其中：E是电场强度；H 是磁场强度。

空间内任何形式的能量都有其移动方向，也有密度，其他形式的能量也可以定义能流矢量，例如机械能，1874年由尼科莱·乌诺夫发现的乌诺夫–坡印亭矢量以完全广义的观点描述了液体和弹性介质中的能流。

根据安培法则求得半径为R的电线周围的磁场强度H，设电线的单位长度的电阻为R_w，则电场强度E为其与电流I的乘积，即E=R_w.I，电场矢量E与磁场矢量H的方向互成直角，Poynting矢量朝向电线内部，此时的矢量外积E×H的大小仅为各点E和H的乘积，

由于单位长度所对应的面积为2πr，与上式相乘的话，单位长度所对应的面积变为πr^2，与EI相等，与众所周知的结果一致。电线不只是让电流通过，对其周围的磁场或电场的状态，就可以使导体（物体）的一部分旋转起来，马达就是巧妙地运用了此现象。

如果没有导体，改变磁体也会产生电场，使马达运转起来，下图显示的是典型的电磁马达的构造，这里就显示了定子和转子之间存在着一定的空隙，使其旋转起来可以解释为有切线力作用于转子的面，使输出轴转动。坡印亭理论中的能量流动速度不取决于坐标系而是与光速c相同，但其大小却因坐标系的不同而有差异，这是一项使两个坐标系的差流过真空的、机械式的工作。

转子铁心与定子铁芯之间的空隙

定子与转子之间有空间，此空间称作空隙，电磁能量虽然可以通过此空隙，但由于空隙被空气等气体充斥，因此具有真空性质。即真空也是可以传播动力的，而动力是机械式工作的源泉。从相对论的角度来说，光速c不会随着坐标系的变化而变化，但由于单位时间所对应的能量流有所不同，坐标系之间的观测值的差可以被解释为动力。若此动力为正的，旋转机械即为马达，若动力为负的，即为发电机。越短的话，空隙的磁场就越强，所传递动力的密度就会增加，鼠笼型感应马达，其空隙是一般的马达1/10左右。

在鼠笼式诱导马达中，如果空隙过于狭小的话，在狭槽中空隙磁通量的脉动的作用下，会产生损失（漂游负荷损失），而此类马达由于定子和转子在极度细密、复杂的运转状态下，能够减少漂游负荷的损失，因此将空隙设置的比较狭小。

空隙长短的开关磁阻电机

开关磁阻马达就是利用空隙的长短产生扭矩的，此类马达与特殊感应马达相比构造极为简单，但发挥驱动控制功能的电路系统较为复杂。使用电刷和整流器方式的发电机当中有一种是自激励式发电机，可以很好地使用铁心的残留磁力。相对于简单的马达构造来说，驱动和控制系统较为复杂，需要进行智能化控制，这是技术上面临的新课题。

磁悬浮的物理学意义

磁悬浮向我们讲述了电磁马达的科学意义到底有多大，悬浮，亦作磁浮，是一种利用磁的吸力和排斥力來使物件在空中浮动，而不依靠其他外力的方法。通过利用电磁力来对抗引力，可以使物件不受引力束缚，从而而自由浮動。地球坐标系与车辆坐标系的相对速度越大，就越能增大通过空隙被运送的机械动力。

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没有空隙的马达

超声波马达确实不需要空隙，是由压电陶瓷与转子面相接触产生摩擦力，在压电陶瓷的椭圆运动及摩擦的作用下产生扭矩运转马达。超声波马达出现的意义在于可以在电磁马达无法使用的情况下使用，在驱动控制技术领域扮演一种补充角色的重要马达。

结论

按照麦克斯韦的应力张量的想法，磁力线、电力线的张力可以与坡印亭的矢量相结合，坡印亭试图把自己的理论与马达结合到一起，留下了许多思考的成果，但最终没有成功。麦克斯韦的电磁方程式本身超越了爱因斯坦的理论，其后导出的坡印亭的矢量虽然与相对论不相矛盾，恐怕坡印亭自身也没有对相对论进行更深地考察。