电磁感应是电磁学中的一种现象,指磁通量发生变化或导体在磁场中运动时产生电动势(emf)。在闭合导电回路中,感应电动势可以驱动电流。电磁感应将电现象与磁现象联系起来,是发电机、变压器以及许多传感装置的工作原理。感应电动势的大小取决于磁通量变化的快慢,而不只是磁场的强弱。(openstax.org)
发现与实验基础
1831年8月29日,迈克尔·法拉第利用绕在铁环上的两个绝缘线圈,演示了电磁感应现象。给一个线圈通电时,另一个线圈中会短暂出现电流。这套装置表明,即使两个回路的导线之间没有直接的导电连接,变化的磁场条件也能在彼此分离的回路之间传递电效应。(rigb.org)
进一步的实验表明,将磁体移入或移出线圈会产生感应电动势。改变运动方向或将磁体的两极对调,都会使电动势的方向反转;运动越快,产生的电动势越大。当磁场保持不变时,静止线圈旁的静止磁体不会产生电磁感应。这些观察结果说明,产生电磁感应的关键条件是磁通量发生变化,而不是仅仅存在磁性。(openstax.org)
磁通量与法拉第定律
穿过有向曲面 的磁通量由以下积分定义:
其中, 为磁场, 的方向垂直于曲面。对于均匀磁场中面积为 的平面,
其中, 为磁场方向与平面法线方向之间的夹角。因此,磁场强度、回路所围面积或朝向的变化,都可以引起磁通量变化。在国际单位制中,磁通量的单位为韦伯,电动势的单位为伏特。(openstax.org)
法拉第电磁感应定律指出,沿回路的电动势为
对于一个有 匝、每匝所穿磁通量均相同的线圈,
如果各匝所穿的磁通量不同,则必须将各匝的磁通链相加。该定律确定的是电动势;产生的电流还取决于回路的电学特性。因此,存在电动势,并不一定意味着完整的导电回路中会有持续电流。(openstax.org)
负号体现了楞次定律:感应电流产生的磁效应会阻碍引起该电流的磁通量变化。它阻碍的是磁通量的增加或减少,不一定是原有磁场本身。这一方向规律符合能量守恒。例如,要使导体棒克服感应磁力而持续运动,就需要做机械功,这些功可以转化为电能和电阻发热。(openstax.org)
感应电场与动生电动势
对于静止的闭合曲线,变化的磁场会产生满足下式的电场:
左侧是沿闭合曲线的曲线积分。这一关系是麦克斯韦—法拉第方程的积分形式,该方程是麦克斯韦方程组中的一个方程。即使没有导线,感应电场也可以存在;导体提供了可移动的电荷,使感应电场的作用能够以电流的形式被观测到。(openstax.org)
与静电学中的电场不同,感应电场沿闭合路径的环流可以不为零。因此,一般不能仅用单值的电势来表示感应电场。这一区别说明,感应电动势比通常所说的两点之间的电势差更为一般。(openstax.org)
导体在磁场中运动时,会产生动生电动势。洛伦兹力中的磁力部分 作用于导体中的载流子,可以使电荷分离。对于长度为 、以速率 运动的直导体棒,若棒的方向、速度方向和均匀磁场的方向两两垂直,则
无论是运动引起的电磁感应,还是磁场变化引起的电磁感应,都可以用适当回路中的磁通量变化来描述。由机械驱动的导体所输出的能量,来自维持其运动所做的功。(openstax.org)
自感与储能
电流发生变化时,与其自身回路相联系的磁通量也会变化,从而产生自感。在几何形状固定且磁响应为线性的情况下,电感 将电流与磁通链联系起来,由此得到
感应电动势阻碍的是电流的变化,而不是简单地阻碍电流流动。电感器正是利用这一效应在电路中发挥作用。(openstax.org)
在电感器中建立电流,需要提供能量来建立磁场。当 为常量时,储存的能量为
电流减小时,这部分能量可以释放回电路。因此,电感与电阻不同:电阻会耗散电能,而不是将能量可逆地储存在磁场中。(openstax.org)
技术应用
发电机通过改变穿过导电绕组的磁通量,将机械能转化为电能。在理想模型中,一个 匝线圈以角速度 在均匀磁场中旋转,其电动势为
这样会产生适合用于交流电的正弦电动势。在电动机中,转动同样可以产生反电动势,其方向与外加电源电压相反。(openstax.org)
变压器利用一个绕组中的变化电流,在另一个绕组中产生感应电动势。在理想情况下,电压比等于匝数比,即 。变压器使电网能够在绕组之间没有直接电接触的情况下改变电压;恒定直流电无法维持变压器的变压作用。(openstax.org)
电磁感应还会在块状导体内部产生涡流。这些环流可以用于电磁制动,也可以在感应加热中产生热。在变压器和电动机的铁芯中,不希望出现的涡流会造成损耗;采用相互绝缘的叠片,可以限制涡流的路径并降低这些损耗。(openstax.org)