电磁感应定律 百科内容来自于: 百度百科

因磁通量变化产生感应电动势的现象,闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应,产生的电流称为感应电流。这是初中物理课本为便于学生理解所定义的电磁感应现象,不能全面概括电磁感现象:闭合线圈面积不变,改变磁场强度,磁通量也会改变,也会发生电磁感应现象。所以准确的定义如下: 因磁通量变化产生感应电动势的现象。 电动势的方向(公式中的负号)由楞次定律提供。楞次定律指出:感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。对于动生电动势也可用右手定则判断感应电流的方向,进而判断感应电动势的方向。“通过电路的磁通量”的意义会由下面的例子阐述。 传统上有两种改变通过电路的磁通量的方式。至于感应电动势时,改变的是自身的磁场,例如改变生成场的电流(就像变压器那样)。而至于动生电动势时,改变的是磁场中的整个或部份电路的运动,例如像在同极发电机中那样。 感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律确定;e(t) = -n(dΦ)/(dt)。对动生的情况也可用E=BLV来求。

发现历程

法拉第定律最初是一条基于观察的实验定律。后来被正式化,其偏导数的限制版本,跟其他的电磁学定律一块被列麦克斯韦方程组的现代赫维赛德版本。
法拉第电磁感应定律是基于法拉第于1831年所作的实验。这个效应被约瑟·亨利于大约同时发现,但法拉第的发表时间较早。
见麦克斯韦讨论电动势的原著。
于1834年由波罗的海德国科学家海因里希·楞次发现的楞次定律,提供了感应电动势的方向,及生成感应电动势的电流方向。

提出问题

1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后,有许多物理学家便试图寻找它的逆效应,提出了磁能否产生电,磁能否对电作用的问题。

研究

1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡测量地磁强度时,偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用
1824年,阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验,发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转,但磁针的旋转与铜盘不同步。稍滞后,电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象,但由于没有直接表现为感应电流,当时未能予以说明。

定律提出

1831年8月,法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈,其一为闭合回路,在导线下端附近平行放置一磁针,另一与电池组相连,接开关,形成有电源的闭合回路。实验发现,合上开关,磁针偏转;切断开关,磁针反向偏转,这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到,这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验,把产生感应电流的情形概括为5 类:变化的电流 ,变化的磁场,运动的恒定电流,运动的磁铁,在磁场中运动的导体,并把这些现象正式定名为电磁感应。进而,法拉第发现,在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比,他由此认识到,感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的,即使没有回路没有感应电流,感应电动势依然存在。
电磁感应定律 电磁感应定律
后来,给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。(其公式并非法拉第亲自给出)并按产生原因的不同,把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种,前者起源于洛伦兹力,后者起源于变化磁场产生的有旋电场。

区分

电磁感应现象不应与 静电感应混淆。电磁感应将电动势与通过电路的磁通量联系起来,而静电感应则是使用另一带电荷的物体使物体产生电荷的方法。

计算公式

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一,它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化,对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系,对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。
若闭合电路为一个n匝的线圈,则又可表示为:ε=n(ΔΦ/Δt)。式中n为线圈匝数,ΔΦ为磁通量变化量,单位Wb ,Δt为发生变化所用时间,单位为s.ε为产生的感应电动势,单位为V.
  1. 电磁感应定律最基本的公式是e=-n(dΦ)/(dt),常有一些人误人子弟不加负号,这样既忽略了楞次定律阻碍的作用,也不能在相平面上自圆其说。
    (1)在时域上表达式为 e(t) = -n(dΦ)/(dt),其中e是时间t的函数
    (2)在复频域上表达式为 E = -jwn Φ,加粗的表示向量
    (3)如果只看大小|E| = n|-(dΦ)/(dt)|
  2. [感应电动势的大小计算公式]
1)E=-n*ΔΦ/Δt(普适公式){法拉第电磁感应定律,E:感应电动势(V),n:感应线圈匝数,ΔΦ/Δt磁通量的变化率}
2)E=-BLVsinA(切割磁感线运动) E=BLV中的v和L不可以和磁感线平行,但可以不和磁感线垂直,其中角A为v或L与磁感线的夹角。{L:有效长度(m)}
3)Em=nBSω(交流发电机最大的感应电动势){Em:感应电动势峰值}
4)E=-B(L^2)ω/2(导体一端固定以ω旋转切割) {ω:角速度(rad/s),V:速度(m/s)}
2.磁通量Φ=BS {Φ:磁通量(Wb),B:匀强磁场的磁感应强度(T),S:正对面积(m2)}
3.感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定{电源内部的电流方向:由负极流向正极}
*4.自感电动势E自=-n*ΔΦ/Δt=LΔI/Δt{L:自感系数(H)(线圈L有铁芯比无铁芯时要大),ΔI:变化电流,Δt:所用时间,ΔI/Δt:自感电流变化率(变化的快慢)}
电磁感应定律 电磁感应定律

感应电流

1.电路是闭合且通的
2.穿过闭合电路的磁通量发生变化
电磁感应定律 电磁感应定律
(如果缺少一个条件,就不会有感应电流产生).
感应电动势的种类:动生电动势感生电动势
动生电动势是因为导体自身在磁场中做切割磁感线运动而产生的感应电动势,其方向用右手定则判断,使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内,把右手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,大拇指指向导体运动方向,则其余四指指向动生电动势的方向。动生电动势的方向与产生的感应电流的方向相同。右手定则确定的动生电动势的方向符合能量转化与守恒定律。
感生电动势是因为穿过闭合线圈的磁场强度发生变化产生涡旋电场导致电流定向运动。其方向符合楞次定律。右手拇指指向磁场变化的反方向,四指握拳,四指方向即为感应电动势方向。

不同现象

有些物理学家注意到法拉第定律是一条描述两种现象的方程:由磁力在移动中的电线中产生的 动生电动势,及由磁场转变而成的电力所产生的 感生电动势。就像理查德费曼指出的那样:
电磁感应定律 电磁感应定律
所以“通量定则”,指出电路中电动势等于通过电路的磁通量变化率的,同样适用于通量不变化的时候,这是因为场有变化,或是因为电路移动(或两者皆是)……但是在我们对定则的解释里,我们用了两个属于完全不同个案的定律:“电路运动”的和“场变化”的。
我们不知道在物理学上还有其他地方,可以用到一条如此简单且准确的通用原理,来明白及分析 两个不同的现象
–理查德·P·费曼?《费曼物理学讲义》

电动势

我们知道,要使闭合电路中有电流,这个电路中必须有电源,因为电流是由电源的电动势引起的。在电磁感应现象里,既然闭合电路里有感应电流,那么这个电路中也必定有电动势,在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。
感应电动势分为感生电动势和动生电动势
感生电动势的大小跟穿过闭合电路的磁通量改变的快慢有关系,E=ΔΦ/Δt.
产生动生电动势的那部分做切割磁力线运动的导体就相当于电源。
理论和实践表明,长度为l的导体,以速度v在此感应强度为B的匀强磁场中做切割磁感应线运动时,在B、L、v互相垂直的情况下导体中产生的感应电动势的大小为:ε=BLv 式中的单位均应采用国际单位制,即伏特、特斯拉、米每秒。
电磁感应现象中产生的电动势。常用符号E表示。当穿过某一不闭合线圈的磁通量发生变化时,线圈中虽无感应电流,但感应电动势依旧存在。当一段导体在匀强磁场中做匀速切割磁感线运动时,不论电路是否闭合,感应电动势的大小只与磁感应强度B、导体长度L、切割速度v及v和B方向间夹角θ的正弦值成正比,即E=BLvsinθ(θ为B,L,v三者间通过互相转化两两垂直所得的角)。
导体棒不切割磁感线时,但闭合回路中有磁通量变化时,同样能产生感应电流。
应用楞次定律可以判断电流方向。

重要意义

法拉第的实验表明,不论用什么方法,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象,所产生的电流称为感应电流。
法拉第根据大量实验事实总结出了如下定律:
电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。
感应电动势用ε表示,即ε=nΔΦ/Δt
这就是法拉第电磁感应定律。
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一,它揭示了电、磁现象之间的相互联系。法拉第电磁感应定律的重要意义在于,一方面,依据电磁感应的原理,人们制造出了发电机,电能的大规模生产和远距离输送成为可能;另一方面,电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。人类社会从此迈进了电气化时代。

方程

本节是一段题外话,作用是区分本条目中的“法拉第定律”及麦克斯韦方程组中用同一个名字的?×E方程。于本条目中?×E方程会被称为 麦克斯韦-法拉第方程。如果你对此分别不感兴趣的话,可略过本节。
麦克斯韦于1855年开发出法拉第定律的旋度版本,而贺维塞得则于1884年将定律重写成 旋度方程:
其中
EB电场及磁场?×代表的是旋度?代表的是当方位矢量 r不变时的时间偏导数。 方程的意义是,如果电场的空间依赖在页面上成逆时针方向(经右手定律,得旋度矢量会从页面指出),那么磁场会因时间而更少指出页面,更多地指向页面(跟旋度矢量异号)。方程跟磁场的 变量有关系。故磁场不一定要指向页面,只需向该方向转动即可。
本方程(在本条目中被称为麦克斯韦-法拉第方程)最著名的地方在于它是麦克斯韦方程组中的四条方程之一。
在麦克斯韦-法拉第方程中,亥维赛用的是 时间偏导数。不使用麦克斯韦用过的时间全导数,而使用时间偏导数,这样做使得麦克斯韦-法拉第方程不能说明运动电动势。然而,麦克斯韦-法拉第方程很多时候会被直接称为“法拉第定律”。
在本条目中“法拉第定律”一词指的是通量方程,而“麦克斯韦-法拉第方程”指的则是亥维赛的 旋度方程,也就是现在的麦克斯韦方程组中的那一条。
实际上电磁感应由能量附着而产生的。

成立条件

概括地说,本定律要以公认的形式成立,则必有一个条件:磁单极子不存在。

应用

发电机

主条目:发电机
由法拉第电磁感应定律因电路及磁场的相对运动所造成的电动势,是发电机背后的根本现象。当永久性磁铁相对于一导电体运动时(反之亦然),就会产生电动势。如果电线这时连着电负载的话,电流就会流动,并因此产生电能,把机械运动的能量转变成电能。例如,基于图四的 鼓轮发电机。另一种实现这种构想的发电机就是法拉第碟片,简化版本见图八。注意使用图五的分析,或直接用洛伦兹力定律,都能得出使用实心导电碟片运作不变的这一结果。
在法拉第碟片这一例子中,碟片在与碟片垂直的均匀磁场中运动,导致一电流因洛伦兹力流到向外的轴臂里。明白机械运动是如何成为驱动电流的必需品,是很有趣的一件事。当生成的电流通过导电的边沿时,这电流会经由安培环路定理生成出一磁场(图八中标示为“Induced B”)。因此边沿成了抵抗转动的电磁铁楞次定律一例)。在图的右边,经转动中轴臂返回的电流,通过右边沿到达底部的电刷。此一返回电流所感应的磁场会抵抗外加的磁场,它有 减少通过电路那边通量的倾向,以此 增加旋转带来的通量。因此在图的左边,经转动中轴臂返回的电流,通过左边沿到达底部的电刷。感应磁场会 增加电路这边的通量, 减少旋转带来的通量。所以,电路两边都生成出抵抗转动的电动势。尽管有反作用力,需要保持碟片转动的能量,正等于所产生的电能(加上由于摩擦、焦耳热及其他消耗所浪费的能量)。所有把机械能转化成电能的发电机都会有这种特性。
虽然法拉第定律经常描述发电机的运作原理,但是运作的机理可以随个案而变。当磁铁绕着静止的导电体旋转时,变化中的磁场生成电场,就像麦克斯韦-法拉第方程描述的那样,而电场就会通过电线推着电荷行进。这个案叫 感应电动势。另一方面,当磁铁静止,而导电体运动时,运动中的电荷的受到一股磁力(像洛伦兹力定律所描述的那样),而这磁力会通过电线推着电荷行进。这个案叫 动生电动势。(更多有关感应电动势、动生电动势、法拉第定律及洛伦兹力的细节,可见上例或格里夫斯一书。)

电动机

主条目:电动机
发电机可以“反过来”运作,成为电动机。例如,用法拉第碟片这例子,设一直流电流由电压驱动,通过导电轴臂。然后由洛伦兹力定律可知,行进中的电荷受到磁场 B的力,而这股力会按佛来明左手定则订下的方向来转动碟片。在没有不可逆效应(如摩擦或焦耳热)的情况下,碟片的转动速率必需使得 B/dt等于驱动电流的电压。

变压器

主条目:变压器
法拉第定律所预测的电动势,同时也是变压器的运作原理。当线圈中的电流转变时,转变中的电流生成一转变中的磁场。在磁场作用范围中的第二条电线,会感受到磁场的转变,于是自身的耦合磁通量也会转变( dΦ B/ dt)。因此,第二个线圈内会有电动势,这电动势被称为 感应电动势变压器电动势。如果线圈的两端是连接着一个电负载的话,电流就会流动。

电磁流量计

法拉第定律可被用于量度导电液体或等离子体状物的流动。这样一个仪器被称为电磁流量计。在磁场B中因导电液以速率为v的速度移动,所生成的感应电压ε可由以下公式求出:
其中ℓ为电磁流量计中电极间的距离。
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- 来自原声例句
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