電磁感應(yīng)（1831年法拉第發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象）
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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(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。這種利用磁場(chǎng)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
中文名
電磁感應(yīng)
英文名
Electromagnetic induction
提出時(shí)間
1831年
相關(guān)人物
邁克爾.法拉第
相關(guān)著作
法拉第電磁感應(yīng)定律
研究對(duì)象
磁生電現(xiàn)象
運(yùn)用領(lǐng)域
電磁學(xué)
起源地
1831年，英國(guó)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(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，亨利使用了電磁力非常強(qiáng)的電磁鐵。法拉第立即有了觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備都是基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)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(yǔ):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(dòng)。科學(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(qǐng)法拉第進(jìn)行評(píng)審。面對(duì)這樣大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，亨利使用了電磁力非常強(qiáng)的電磁鐵。法拉第立即有了觀測(cè)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(qiáng)磁場(chǎng)。應(yīng)變效應(yīng)能用另一個(gè)纏繞在環(huán)上的線圈探測(cè)到，這個(gè)繞組與一個(gè)電流計(jì)連接以測(cè)量產(chǎn)生的電流。1831年10月17日，他進(jìn)行了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)：向一個(gè)連接有電流計(jì)的長(zhǎng)線圈（或螺線管）移動(dòng)圓柱形磁鐵時(shí)，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(huì)做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，證明在社會(huì)上購(gòu)買的“大馬蹄形磁鐵”的磁極之間旋轉(zhuǎn)一個(gè)銅圓盤時(shí)，可以產(chǎn)生持續(xù)電流。銅圓盤的軸和邊緣與電流計(jì)滑動(dòng)接觸，銅圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jiǎn)單移動(dòng)銅導(dǎo)線時(shí)可以產(chǎn)生電流。這樣，在4個(gè)月內(nèi)，他發(fā)明了變壓器與發(fā)電機(jī)變壓器與發(fā)電機(jī)。
1834年，楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）宣布澄清了電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向問題：在電路中，電動(dòng)勢(shì)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(shí)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(dá)式中，推導(dǎo)出在真空中傳播的任何電磁波都以光速行進(jìn)，反向驗(yàn)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(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流,這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。由于這個(gè)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(jì)算公式為：
當(dāng)磁通量增加時(shí)，
式中n為線圈匝數(shù)，
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(chǎng)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(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線從掌心進(jìn)入,并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)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(guó)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(chǎng)、磁場(chǎng)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(qiáng)度B對(duì)時(shí)間t的偏導(dǎo)數(shù)形式
洛倫茲力
運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中所受的磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的力；q為電荷量；v為電荷的速度；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；θ為電荷速度和磁場(chǎng)方向的夾角
計(jì)算方法
1.法拉第電磁感應(yīng)定律基本公式
磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)
公式為：
式中，ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；n為線圈匝數(shù)；Φ為磁通量，
2.洛倫茲力
公式為：F=qvBsinθ
式中，F(xiàn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的力；q為電荷量；v為電荷的速度；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；θ為電荷速度和磁場(chǎng)方向的夾角。
3.感應(yīng)電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)
公式為：
式中，ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；L為線圈的自感系數(shù)；
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(dòng)勢(shì)；i為電流強(qiáng)度。
5.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值
公式為：
式中，
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(jī)和電動(dòng)機(jī)
利用電磁感應(yīng)原理制造的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是電力工業(yè)的重要設(shè)備，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。
發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)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(gè)繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過磁通量的變化和導(dǎo)體中電場(chǎng)磁場(chǎng)的相互作用，就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)中的電能輸出通常是交流電。
電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。它的工作原理與發(fā)電機(jī)相反，是通過將電能輸入至電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，加上磁鐵的磁場(chǎng)，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，使電動(dòng)機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)，從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，常見的電動(dòng)機(jī)有交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。
變壓器
變壓器利用電磁感應(yīng)作用來實(shí)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(gè)繞組組成：一個(gè)是輸入繞組，也稱為初級(jí)繞組，另一個(gè)是輸出繞組，也稱為次級(jí)繞組。
當(dāng)輸入繞組通過一定的電壓時(shí)，輸入繞組中就會(huì)形成一定的電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生一個(gè)磁通量。當(dāng)磁通量在鐵芯中的方向發(fā)生改變時(shí)，次級(jí)繞組中的電磁感應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)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(chǎng)，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(dá)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(jìn)行保護(hù)，發(fā)熱體內(nèi)外電位差為零，不會(huì)出現(xiàn)類似電加熱棒因內(nèi)部電陽(yáng)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(hào)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(hào)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(fù)責(zé)探測(cè)磁卡表面上的微小磁場(chǎng)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
信號(hào)處理電路會(huì)對(duì)磁頭讀取到的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過一系列的譯碼、解密等處理后，才能被計(jì)算機(jī)等設(shè)備識(shí)別。，讀卡器應(yīng)用于銀行卡、身份證、門禁卡、會(huì)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(dá)到加熱的效果。
電磁爐加熱實(shí)物
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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。
當(dāng)電磁爐開啟時(shí)，通過電源供電，線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。因?yàn)楸P面是一個(gè)良好的導(dǎo)體，它接收到了線圈中的電磁場(chǎng)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(chǎng)和列車上的超導(dǎo)磁體之間的相互作用力來實(shí)現(xiàn)懸浮和運(yùn)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(jìn)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(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和車輛結(jié)構(gòu)等，其運(yùn)行原理是基于電磁感應(yīng)和超導(dǎo)材料的特性設(shè)計(jì)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(chǎng)特性來讓列車懸浮運(yùn)行，從而消除了傳統(tǒng)軌道列車與軌道之間的接觸，達(dá)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(yàn)。
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(shì)主要集中在五個(gè)方面。
- 高效率：隨著技術(shù)的進(jìn)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)?huì)取代有線充電，得到很好的運(yùn)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)?huì)得到廣泛應(yīng)用。
- 新能源汽車充電技術(shù)：電磁感應(yīng)也可用于電動(dòng)汽車充電技術(shù)，特別是道路鋪設(shè)感應(yīng)線圈進(jìn)行無線充電，目前已經(jīng)在部分國(guó)家的部分道路進(jìn)行測(cè)試，未來可能會(huì)在全球范圍內(nèi)得到廣泛展開。
- 直線電機(jī)：電磁感應(yīng)技術(shù)也為直線電機(jī)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(jī)械制造等領(lǐng)域使用。
電磁感應(yīng)相關(guān)的文章
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