電磁感應(yīng)的理解與應(yīng)用

◆陳泓錕

(武漢市育才高中)

電磁感應(yīng)的理解與應(yīng)用

◆陳泓錕

(武漢市育才高中)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，一般表現(xiàn)為兩種形式，即動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)。對(duì)這兩種電動(dòng)勢(shì)從產(chǎn)生機(jī)制、能量轉(zhuǎn)換等角度分別進(jìn)行描述，來理解它們的統(tǒng)一和區(qū)別。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在生活中有很多的應(yīng)用，對(duì)常見的幾種例子分別進(jìn)行闡述，對(duì)該現(xiàn)象有更具體的理解。

電磁感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì) 應(yīng)用

一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

不論電路是否閉合，只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化，電路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電路已經(jīng)具備了隨時(shí)輸出電能的能力。如果電路閉合，將會(huì)在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這一現(xiàn)象是邁克爾·法拉第于1831年發(fā)現(xiàn)的，因此被稱之為法拉第電磁感應(yīng)定律。這是自?shī)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁場(chǎng)之后，在電磁學(xué)中的另一偉大發(fā)現(xiàn)，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)化奠定了基礎(chǔ)。

通過大量的實(shí)驗(yàn)，法拉第給出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定量表達(dá)式1：

(1) 回路或其一部分在磁場(chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即變,稱之為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)；

(2)僅由磁場(chǎng)的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即變,稱之感生電動(dòng)勢(shì)；

1.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)

在洛倫茲力的作用下，自由電子由B向A運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體棒的下端發(fā)生積累，于是A端帶負(fù)電，B端由于失去電子帶正電。隨著正負(fù)電荷在導(dǎo)體棒兩端的積累，導(dǎo)體棒內(nèi)出現(xiàn)了由B指向A端的電場(chǎng)。因此，導(dǎo)體棒內(nèi)的電子除受到向下的洛倫茲力，還受到向上的電場(chǎng)力的作用，大小為式5：

F=qE，其中q為自由電子，E為感應(yīng)電勢(shì)差；

當(dāng)導(dǎo)體棒兩端的電荷積累到一定程度時(shí)，自由電子受到的洛倫茲力和電場(chǎng)力達(dá)到平衡，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再因?qū)w棒的移動(dòng)而發(fā)生宏觀移動(dòng)，導(dǎo)體內(nèi)電荷分布穩(wěn)定，導(dǎo)體兩端形成恒定的電勢(shì)差。若導(dǎo)體棒AB兩端與固定不動(dòng)的導(dǎo)線連接構(gòu)成回路時(shí)，回路中便出現(xiàn)感應(yīng)電流，導(dǎo)體棒AB兩端所積累的電荷將減少，原來的平衡被破壞，于是洛倫茲力又使自由電子從B端沿導(dǎo)體內(nèi)部流向A端，使AB兩端的電荷不斷得到補(bǔ)充，從而使導(dǎo)體棒兩端的電勢(shì)差保持恒定，維持回路中的電流不斷。因此，產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)實(shí)質(zhì)即非靜電力洛倫茲力。

動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生是由于外力的作用，驅(qū)使導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程中洛倫茲力與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向垂直，即洛倫茲力不做功。因此，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)能量的變化是外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2.感生電動(dòng)勢(shì)

導(dǎo)體所圍回路面積不變而磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱之為感生電動(dòng)勢(shì)。若一個(gè)閉合電路有一個(gè)n匝的線圈，則根據(jù)式2得，電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表述為：

感生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，導(dǎo)體或?qū)w回路不動(dòng)，而磁場(chǎng)變化。因此產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因不可能是洛侖茲力。英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋指出：變化的磁場(chǎng)會(huì)在其周圍空間激發(fā)出一種電場(chǎng)，稱為感生電場(chǎng)，其電場(chǎng)線為閉合曲線，所以又稱為渦旋電場(chǎng)。產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力是感生電場(chǎng)力(或稱為渦旋電場(chǎng)力)。變化的磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生的感生電場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)中電荷的產(chǎn)生力，電荷可以相對(duì)于電場(chǎng)靜止，它受力只是因?yàn)樗鼛щ姟．?dāng)變化的磁場(chǎng)中有導(dǎo)體回路時(shí)：自由電子受感生電場(chǎng)的作用而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。所以，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因?yàn)榉庆o電場(chǎng)。

感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生沒有外力的作用，只是由于磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致了磁通量的變化，使導(dǎo)體體中的自由電荷受到電場(chǎng)力，驅(qū)動(dòng)自由電荷的定向移動(dòng)。因此，感生電動(dòng)勢(shì)的能量變化是電磁能轉(zhuǎn)換為電能。

二、電磁感應(yīng)的應(yīng)用

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為電和磁的轉(zhuǎn)化鋪平了道路，工程及生活應(yīng)用中很多發(fā)明都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，如我們熟知的發(fā)電機(jī)、電磁爐以及將來肯定會(huì)普及的無接觸式充電電池，等等。

如電磁爐：

電磁爐內(nèi)爐面一般是耐熱陶瓷板，下方有一銅線制線圈，線圈產(chǎn)生交流磁場(chǎng)(強(qiáng)弱不停變化的磁場(chǎng))，交流磁場(chǎng)通過放在爐面上的鐵磁性金屬器皿時(shí)，能量以兩種物理現(xiàn)象在器皿內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能：

(1)渦電流，交流磁場(chǎng)使器皿底部產(chǎn)生感應(yīng)渦電流，渦電流使鍋底迅速發(fā)熱，轉(zhuǎn)化為熱能；

(2) 磁滯損耗，交流磁場(chǎng)在不停的改變鍋底金屬的磁極方向時(shí)會(huì)造成能量損失而化成熱能。

主要的熱力來源以渦流所產(chǎn)生的為主，磁滯損耗產(chǎn)生的熱能少于10%，加熱了的器皿便可加熱食物。電磁爐產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)類型為感生電動(dòng)勢(shì)。

三、無接觸式充電電池

車的充電裝置相當(dāng)于汽車燃料的加注站，可以通過反復(fù)充電提供車輛持續(xù)運(yùn)行的能源。近年來，國(guó)外涌現(xiàn)出了三種非接觸式電動(dòng)車充電裝置，其中一種充電方式就是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，充電原理是：為充電線圈N1提供交流電并產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，磁力線穿過與之分離一定距離的接收線圈N2。交流電產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，使接收線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)是并對(duì)外充電。電磁感應(yīng)通過送電線圈和接收線圈之間傳輸電力，是最接近實(shí)用化的一種充電方式。該應(yīng)用產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)類型為感生電動(dòng)勢(shì)。

四、小結(jié)

不論是發(fā)動(dòng)機(jī)，電磁爐還是無接觸式充電電池都是利用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)其他形式的能量向電能的轉(zhuǎn)化。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)類型有動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)、感生電動(dòng)勢(shì)抑或兩種電動(dòng)勢(shì)都存在，電流為交流的形式輸出。除了上述幾種應(yīng)用實(shí)例外，還有很多類似的發(fā)明，如汽車車速表，話筒等，在此不一一列舉。

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