电磁感应

来源：利来官方网址    发布时间：2025-04-03 13:36:57

  利用电与磁之间的关系，即通过单根导线的电流会在其周围产生磁场。如果将导线绕成线圈，磁场会大大增强，在线圈周围形成一个静态磁场，形状类似于条形磁铁，有着非常明显的北极和南极。

  线圈周围产生的磁通量与线圈绕组中流动的电流量成正比，如图所示。如果在同一线圈上绕上额外的导线层，并且相同的电流通过它们，静态磁场强度将会增加。

  因此，线圈的磁场强度由线圈的安培匝数决定。线圈中的导线匝数越多，其周围的静态磁场强度越大。

  但是，如果我们反转这个想法，断开线圈的电流，并在线圈的核心中放置一个条形磁铁，而不是空心核心。通过将这个条形磁铁“移入”和“移出”线圈，磁通量的物理运动会在线圈中感应出电流。

  同样，如果我们保持条形磁铁静止，并在磁场中来回移动线圈，线圈中也会感应出电流。然后，通过移动导线或改变磁场，我们大家可以在线圈中感应出电压和电流，这样的一个过程被称为电磁感应，是变压器、电动机和发电机的基本工作原理。电磁感应最早由迈克尔·法拉第在19世纪30年代发现。法拉第注意到，当他将永磁体移入和移出线圈或单圈导线时，会感应出电动势（emf），换句话说，会产生电压，由此产生电流。

  因此，迈克尔·法拉第发现了一种仅通过磁场的力而不使用电池在电路中产生电流的方法。这导致了一个很重要的定律，将电与磁联系起来，即法拉第电磁感应定律。那么这是如何工作的呢？

  当下面所示的磁铁“朝向”线圈移动时，检流计（绝大多数都是一个非常灵敏的中心零位动圈电流表）的指针或针将仅在一个方向上偏离其中心位置。当磁铁停止移动并相对于线圈保持静止时，检流计的指针返回到零，因为磁场没有物理运动。

  同样，当磁铁“远离”线圈向另一个方向挪动时，检流计的指针相对于第一次指示的极性变化向相反方向偏转。然后，通过将磁铁来回移向线圈，检流计的指针将根据磁铁的运动方向向左或向右偏转，正或负。

  同样，如果磁铁现在保持静止，并且只有线圈向磁铁移动或远离磁铁，检流计的指针也会向任一方向偏转。然后，通过磁场移动线圈或导线环的动作会在线圈中感应出电压，感应电压的大小与运动的速度或速率成正比。

  然后我们大家可以看到，磁场运动得越快，线圈中感应的电动势或电压就越大，因此法拉第定律要成立，线圈和磁场之间必须存在“相对运动”或运动，磁场、线圈或两者都可以移动。

  从上述描述中我们能说，电压与变化的磁场之间有关系，迈克尔·法拉第著名的电磁感应定律指出：“每当导体和磁场之间有相对运动时，电路中就会感应出电压，并且该电压的大小与磁通量的变化率成正比”。

  那么仅使用磁力可以在线圈中感应出多少电压（电动势）呢？这由以下三个不同的因素决定。

  1). 增加线圈中的导线匝数——通过增加切割磁场的单个导体的数量，产生的感应电动势将是线圈所有单个环的总和，因此如果线匝，感应电动势将比单根导线). 增加线圈和磁铁之间的相对运动速度——如果相同的线圈通过相同的磁场，但其速度或速率增加，导线将以更快的速率切割磁力线，因此会产生更多的感应电动势。

  3). 增加磁场的强度——如果相同的线圈以相同的速度通过更强的磁场移动，由于有更多的磁力线切割，将产生更多的电动势。

  如果我们也可以以恒定的速度和距离将上图所示的磁铁移入和移出线圈而不停止，我们将产生一个连续的感应电压，该电压将在正极性和负极性之间交替变化，产生交流或AC输出电压，这是发电机工作原理的基础原理，类似于用于发电机和汽车交流发电机的原理。

  在小型发电机（如自行车发电机）中，一个小型永磁体通过自行车车轮的作用在固定线圈内旋转。或者，由固定直流电压供电的电磁铁可以在固定线圈内旋转，例如在大型发电机中，这两种情况下都会产生交流电。

  上面的简单发电机由一个永磁体组成，该永磁体围绕中心轴旋转，线圈放置在旋转磁场旁边。当磁铁旋转时，线圈顶部和底部周围的磁场不断在北极和南极之间变化。磁场的这种旋转运动导致在线圈中感应出交流电动势，如法拉第电磁感应定律所定义。

  电磁感应的大小与磁通密度β成正比，环的数量给出导体的总长度l（以米为单位），以及磁场在导体内的变化速率或速度ν（以米/秒或m/s为单位），由动生电动势表达式给出：

  如果导体不以直角（90°）移动通过磁场，则角度θ°将添加到上述表达式中，随着角度的增加，输出减少：

  法拉第定律告诉我们，通过在磁场中移动导体或将磁场移过导体，可以在导体中感应出电压，并且如果该导体是闭合电路的一部分，电流将流动。该电压叫做感应电动势，因为它是由变化的磁场通过电磁感应感应到导体中的，法拉第定律中的负号告诉我们感应电流的方向（或感应电动势的极性）。

  但是，变化的磁通量会在线圈中产生一些变化的电流，正如我们在电磁铁教程中看到的，这本身会产生自己的磁场。这种自感电动势反对引起它的变化，电流变化得越快，反对的电动势就越大。这种自感电动势根据楞次定律反对线圈中电流的变化，并且由于其方向，这种自感电动势通常称为反电动势。

  楞次定律指出：“感应电动势的方向总是反对引起它的变化”。换句话说，感应电流总是反对最初引起感应电流的运动或变化，这个想法在电感分析中被发现。

  同样，如果磁通量减少，则感应电动势将通过产生并感应磁通量来反对这种减少，该磁通量添加到原始磁通量中。

  楞次定律是电磁感应中确定感应电流流动方向的基本定律之一，并且与能量守恒定律有关。

  根据能量守恒定律，宇宙中的总能量将从始至终保持恒定，因为能量不能被创造或破坏。楞次定律是从迈克尔·法拉第的感应定律推导出来的。

  关于楞次定律在电磁感应中的最后一点评论。我们现在知道，当导体和磁场之间有相对运动时，导体中会感应出电动势。

  但导体实际上可能不是线圈电路的一部分，而可能是线圈的铁芯或系统的其他金属部分，例如变压器。系统中金属部分内的感应电动势会导致循环电流在其周围流动，这种类型的核心电流称为涡流。

  由电磁感应产生的涡流在线圈核心或磁场内的任何连接金属部件周围循环，因为对于磁通量，它们就像单圈导线一样。涡流对系统的有用性没有一点贡献，而是通过像负力一样反对感应电流的流动，在核心内产生电阻加热和功率损耗。然而，在某些电磁感应炉应用中，仅使用涡流来加热和熔化铁磁金属

  上面变压器铁芯中的变化磁通量不仅会在初级和次级绕组中感应出电动势，还会在铁芯中感应出电动势。铁芯是良好的导体，因此固体铁芯中感应的电流会很大。此外，涡流流动的方向根据楞次定律会削弱初级线圈产生的磁通量。因此，初级线圈中产生给定B场所需的电流增加，因此磁滞曲线沿H轴变宽。

  涡流和磁滞损耗不能完全消除，但可以大幅度减少。变压器或线圈的磁芯材料不是实心铁芯，而是“分层”的磁路。

  这些分层是非常薄的绝缘（通常用清漆）金属条，连接在一起形成实心核心。分层增加了铁芯的电阻，从而增加了对涡流流动的总电阻，因此核心中的感应涡流功率损耗减少，这就是为什么变压器和电机的磁路都是分层的原因。