電磁感應(yīng) 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象
電磁感應(yīng)
電磁感應(yīng)(Electromagnetic induction)又稱磁電感應(yīng)現(xiàn)象,是指閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中作
切割磁感線運動 ,導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象,產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。
基本信息
英文名
Electromagnetic induction
1831年,英國物理學(xué)家邁克爾.法拉第(Michael Faraday)獲悉亨利(Joseph Henry)在紐約奧爾巴尼(Albany)做的實驗。在這個實驗中,亨利使用了電磁力非常強的電磁鐵。法拉第立即有了觀測力線使電磁材料產(chǎn)生應(yīng)變的想法,最終經(jīng)過不懈努力證明了“
磁生電 ”現(xiàn)象。
電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),是電磁學(xué)領(lǐng)域中最偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系,而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實驗基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)有許多應(yīng)用,包括變壓器、電磁爐、
無線充電器 ,以及電動機和
發(fā)電機 等設(shè)備都是基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計而來的。
發(fā)現(xiàn)歷史 1820年,丹麥物理學(xué)家漢斯·克海斯提安·奧斯特(丹麥語:Hans Christian ?rsted)發(fā)現(xiàn)電與磁之間的聯(lián)系,并引來一系列相關(guān)的科學(xué)活動??茖W(xué)期刊收
到了 許多描述電磁效應(yīng)和試圖解釋它們的有關(guān)文章,哲學(xué)雜志的編輯請法拉第進行評審。面對這樣大規(guī)模的實驗現(xiàn)象和推斷,法拉第開始系統(tǒng)地研究電磁現(xiàn)象。
1831年,法拉第獲悉亨利(Joseph Henry)在紐約奧爾巴尼(Albany)做的實驗。在這個實驗中,亨利使用了電磁力非常強的電磁鐵。法拉第立即有了觀測力線使電磁材料產(chǎn)生應(yīng)變的想法。他把絕緣導(dǎo)線纏繞在粗鐵環(huán)上,從而能在鐵環(huán)內(nèi)產(chǎn)生強磁場。應(yīng)變效應(yīng)能用另一個纏繞在環(huán)上的線圈探測到,這個繞組與一個電流計連接以測量產(chǎn)生的電流。1831年10月17日,他進行了一個
新的 實驗:向一個連接有電流計的長線圈(或螺線管)移動圓柱形磁鐵時,在線圈中產(chǎn)生了電流。然后,1831年10月28日,他在
倫敦皇家學(xué)會 做了一個
著名的 實驗,證明在社會上購買的“大馬蹄形磁鐵”的磁極之間旋轉(zhuǎn)一個銅圓盤時,可以產(chǎn)生持續(xù)電流。銅圓盤的軸和邊緣與電流計滑動接觸,銅圓盤旋轉(zhuǎn)時,指針偏轉(zhuǎn)。1831年11月4日,法拉第發(fā)現(xiàn)在磁鐵兩極之間簡單移動銅導(dǎo)線時可以產(chǎn)生電流。這樣,在4個月內(nèi),他發(fā)明了變壓器與發(fā)電機變壓器與發(fā)電機。
1834年,
楞次 (Heinrich Friedrich Emil Lenz)宣布澄清了電路中感應(yīng)電動勢的方向問題:在電路中,電動勢的方向反抗磁通量的變化(
楞次定律 )。
1864年,
麥克斯韋 推斷出光確實是一種電磁輻射。將法拉第的思想和發(fā)現(xiàn)放入數(shù)學(xué)表達式中,推導(dǎo)出在真空中傳播的任何電磁波都以光速行進,反向驗證了法拉第電磁感應(yīng)定律的準(zhǔn)確性。
相關(guān)理論
法拉第電磁感應(yīng)定律 法拉第電磁感應(yīng)定律:因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象,閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運動時,導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流,這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。由于這個現(xiàn)象是法拉第發(fā)現(xiàn)的,被稱為法拉第電磁感應(yīng)定律,計算
公式 為:
,n 個相同的匝組成的線圈的感應(yīng)電動勢計算公式:
電動勢的方向由楞次定律給出,該定律指出感應(yīng)電流將沿與產(chǎn)生它的變化相反的方向流動。
當(dāng)磁通量增加時,
,這時
感為負值,即感生電流產(chǎn)生的磁場和原磁場方向相向,當(dāng)磁通量減少時,
,這時
感為正值,即感生電流產(chǎn)生的磁場和原磁場方向相同。
式中n為線圈匝數(shù),
中為磁通量變化量,單位Wb (
韋伯 ),
為發(fā)生變化所用時間,單位
為產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,單位為V(
伏特 ,簡稱伏) 。電磁感應(yīng)俗稱磁生電,多應(yīng)用于發(fā)電機。
楞次定律 楞次定律定義:感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。
楞次定律的本質(zhì):楞次定律中的“阻礙”作用,正是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的反映,在克服這種阻礙的過程中,其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。
能量守恒 本質(zhì)上看,楞次定律可廣義地表述為:感應(yīng)電流的“效果”總是要反抗(或阻礙)引起感應(yīng)電流。
右手定則 伸開右手,使拇指跟其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一個平面內(nèi),讓磁感線從掌心進入,并使拇指指向?qū)Ь€運動的方向,這時四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。
適用于閉合電路部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況。
麥克斯韋-法拉第方程 麥克斯韋-法拉第方程(Maxwell-Faraday Equation)是電磁學(xué)中的一組方程之一,描述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,它是由蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)和英國物理學(xué)家
邁克爾·法拉第 分別在19世紀(jì)上半葉提出的。
麥克斯韋方程組 全面地反映了電磁基本規(guī)律,描述了電場、磁場與電荷密度、電流密度之間的微分方程關(guān)系。
該方程是采用磁感應(yīng)強度B對時間t的偏導(dǎo)數(shù)形式
來表示的。
表示電場
的旋度,是一個矢量,用于描述一個矢量場的旋轉(zhuǎn)情況。
表示磁場
隨時間變化的速率,用于描述磁場隨時間變化的情況。
洛倫茲力 運動的帶電粒子在磁場中所受的磁場力即為洛倫茲力,它的大小為F=qvBsinθ,方向遵從
左手定則 。F為感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的力;q為電荷量;v為電荷的速度;B為磁場強度;θ為電荷速度和磁場方向的夾角
計算方法 1.法拉第電磁感應(yīng)定律基本公式
式中,ε為感應(yīng)電動勢;n為線圈匝數(shù);Φ為磁通量,
為磁通量隨時間的變化率。
2.洛倫茲力
公式為:F=qvBsinθ
式中,F(xiàn)為感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的力;q為
電荷量 ;v為電荷的速度;B為磁場強度;θ為電荷速度和磁場方向的夾角。
3.感應(yīng)電流產(chǎn)生的電動勢
式中,ε為感應(yīng)電動勢;L為線圈的自感系數(shù);
為電流隨時間的變化率。
4.電磁感應(yīng)功率
公式為:P=εi
式中,P為電磁感應(yīng)產(chǎn)生的功率;ε為電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢;i為電流強度。
5.感應(yīng)電動勢的平均值
式中,
為感應(yīng)電動勢的平均值;T為一個周期的時間。
應(yīng)用 電磁感應(yīng)作為一種重要的物理現(xiàn)象,在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
發(fā)電機和電動機 利用電磁感應(yīng)原理制造的發(fā)電機和電動機是電力工業(yè)的重要設(shè)備,能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能。
發(fā)電機是一種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。在它內(nèi)部的轉(zhuǎn)子上裝有一個繞組,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,通過磁通量的變化和導(dǎo)體中電場磁場的相互作用,就可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能,發(fā)電機中的電能輸出通常是交流電。
電動機是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的設(shè)備。它的工作原理與發(fā)電機相反,是通過將電能輸入至電動機的定子繞組中,加上磁鐵的磁場,從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力,使電動機的輸出軸旋轉(zhuǎn),從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能,常見的電動機有
交流電動機 和直流電動機兩種。
變壓器 變壓器利用電磁感應(yīng)作用來實現(xiàn)電能的互相轉(zhuǎn)換,起到升壓、降壓、隔離、穩(wěn)壓等功能。
變壓器由鐵芯和兩個繞組組成:一個是輸入繞組,也稱為初級繞組,另一個是輸出繞組,也稱為
次級繞組 。
當(dāng)輸入繞組通過一定的電壓時,輸入繞組中就會形成一定的電磁場,這個電磁場會在鐵芯中產(chǎn)生一個磁通量。當(dāng)磁通量在鐵芯中的方向發(fā)生改變時,次級繞組中的電磁感應(yīng)就會產(chǎn)生一定的
電勢差 ,也就是輸出電壓,與輸入電壓相比,改變輸入繞組的匝數(shù)可以改變輸出繞組的電壓水平。
渦流加熱技術(shù) 利用電磁感應(yīng)原理,在導(dǎo)體線圈上接入工頻交流電源,生成環(huán)形電流磁場,產(chǎn)生感應(yīng)電流一渦流。這些電流在加熱線圈的導(dǎo)體上產(chǎn)生熱效應(yīng),從而達到給導(dǎo)體線圈外部介質(zhì)加熱的目的。電磁感應(yīng)渦流加熱裝置由電源供電系統(tǒng)、渦流感應(yīng)器、導(dǎo)熱體、傳感器等幾部分組成。
環(huán)形導(dǎo)體線圈本身并不發(fā)熱,導(dǎo)體線圈繞組采用絕緣耐溫材料進行保護,發(fā)熱體內(nèi)外電位差為零,不會出現(xiàn)類似
電加熱棒 因內(nèi)部電陽絲市穿絕緣體與外加熱管壁短路,產(chǎn)生電
火花 的現(xiàn)象。由于發(fā)熱源是導(dǎo)體線圈的電磁感應(yīng)即
渦流效應(yīng) ,加熱部性熱量均今分布,傳熱效果好,發(fā)熱量易于控制,可有效地解決得油降粘問題,并且被加熱的介質(zhì)可以是各種容器里的液體、氣體,防爆性能良好。
讀卡器 讀卡器是一種能夠讀取磁卡信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置,其工作原理也是基于電磁感應(yīng)原理。
讀卡器主要由磁頭、信號處理電路和輸入輸出接口等組成。磁頭通常是由金屬線圈、磁芯、壓力輪和導(dǎo)向槽等部件組成的,負責(zé)探測磁卡表面上的微小磁場,并將其轉(zhuǎn)化為電信號。
信號處理電路會對磁頭讀取到的電信號進行放大、濾波等處理,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)過一系列的譯碼、解密等處理后,才能被計算機等設(shè)備識別。,讀卡器應(yīng)用于銀行卡、身份證、
門禁卡 、會員卡等許多領(lǐng)域。
電磁爐 電磁爐是一種利用電磁感應(yīng)原理使導(dǎo)體產(chǎn)生熱量來加
熱物 體的電器產(chǎn)品。其工作原理與感應(yīng)加熱類似,通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流,使盤面上的導(dǎo)體發(fā)生熱量,從而達到加熱的效果。
電磁爐主要由盤面、線圈、電源等組成。盤面是由鐵、不銹鋼等導(dǎo)體材料制成的,線圈則圍繞在盤面下方,其內(nèi)部接通的電源會產(chǎn)生磁場。
當(dāng)電磁爐開啟時,通過電源供電,線圈中會產(chǎn)生一個交變磁場。因為盤面是一個良好的導(dǎo)體,它接收到了線圈中的電磁場并產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流在盤面中形成了
環(huán)狀電流 ,并根據(jù)焦耳熱原理使盤面上的導(dǎo)體產(chǎn)生加熱。盤面上需要加熱的物體與導(dǎo)體間的熱量轉(zhuǎn)移則取決于盤面表面溫度、導(dǎo)熱性以及間接接觸的物體本身等因素。
磁懸浮列車 磁懸浮列車?yán)媒涣麟姰a(chǎn)生的磁場和列車上的超導(dǎo)磁體之間的相互作用力來實現(xiàn)懸浮和運行,是一種高速、節(jié)能、環(huán)保的
交通工具 。
磁懸浮列車是一種非常先進的高速列車,磁懸浮列車的主要構(gòu)成部分包括磁懸浮裝置、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和車輛結(jié)構(gòu)等,其運行原理是基于電磁感應(yīng)和超導(dǎo)材料的特性設(shè)計而成的。通過利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的力和超導(dǎo)材料的磁場特性來讓列車懸浮運行,從而消除了傳統(tǒng)
軌道列車 與軌道之間的接觸,達到了最小化空氣阻力的目的,帶來高速、高效、節(jié)能、安全、舒適的出行體驗。
未來展望 未來 電磁感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢主要集中在五個方面。
高效率:隨著技術(shù)的進步,未來電磁感應(yīng)技術(shù)將更加高效,可以將能量在傳輸過程中的損失降至最低。
無線充電技術(shù) :電磁感應(yīng)可用于無線充電技術(shù),在家電,數(shù)碼等領(lǐng)域?qū)〈芯€充電,得到很好的運用。
磁浮技術(shù):電磁感應(yīng)技術(shù)也可用于磁浮技術(shù),在城市交通、高速鐵路等領(lǐng)域?qū)玫綇V泛應(yīng)用。
新能源汽車 充電技術(shù):電磁感應(yīng)也可用于電動汽車充電技術(shù),特別是道路鋪設(shè)感應(yīng)線圈進行無線充電,目前已經(jīng)在部分國家的部分道路進行測試,未來可能會在全球范圍內(nèi)得到廣泛展開。
直線電機:電磁感應(yīng)技術(shù)也為直線電機的發(fā)展提供了有利條件,該技術(shù)可以在醫(yī)療設(shè)備、機械制造等領(lǐng)域使用。