電磁感應(yīng)

當(dāng)直流電流通過(guò)長(zhǎng)直導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁化力和靜態(tài)磁場(chǎng)

電磁感應(yīng)利用電與磁之間的關(guān)系，即通過(guò)單根導(dǎo)線的電流會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果將導(dǎo)線繞成線圈，磁場(chǎng)會(huì)大大增強(qiáng)，在線圈周圍形成一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，形狀類似于條形磁鐵，具有明顯的北極和南極。

空心電磁線圈

空心線圈

線圈周圍產(chǎn)生的磁通量與線圈繞組中流動(dòng)的電流量成正比，如圖所示。如果在同一線圈上繞上額外的導(dǎo)線層，并且相同的電流通過(guò)它們，靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)增加。

因此，線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度由線圈的安培匝數(shù)決定。線圈中的導(dǎo)線匝數(shù)越多，其周圍的靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。

但是，如果我們反轉(zhuǎn)這個(gè)想法，斷開(kāi)線圈的電流，并在線圈的核心中放置一個(gè)條形磁鐵，而不是空心核心。通過(guò)將這個(gè)條形磁鐵“移入”和“移出”線圈，磁通量的物理運(yùn)動(dòng)會(huì)在線圈中感應(yīng)出電流。

同樣，如果我們保持條形磁鐵靜止，并在磁場(chǎng)中來(lái)回移動(dòng)線圈，線圈中也會(huì)感應(yīng)出電流。然后，通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)線或改變磁場(chǎng)，我們可以在線圈中感應(yīng)出電壓和電流，這個(gè)過(guò)程被稱為電磁感應(yīng)，是變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的基本工作原理。電磁感應(yīng)最早由邁克爾·法拉第在19世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)。法拉第注意到，當(dāng)他將永磁體移入和移出線圈或單圈導(dǎo)線時(shí)，會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)（emf），換句話說(shuō)，會(huì)產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生電流。

因此，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了一種僅通過(guò)磁場(chǎng)的力而不使用電池在電路中產(chǎn)生電流的方法。這導(dǎo)致了一個(gè)非常重要的定律，將電與磁聯(lián)系起來(lái)，即法拉第電磁感應(yīng)定律。那么這是如何工作的呢？

當(dāng)下面所示的磁鐵“朝向”線圈移動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)（基本上是一個(gè)非常靈敏的中心零位動(dòng)圈電流表）的指針或針將僅在一個(gè)方向上偏離其中心位置。當(dāng)磁鐵停止移動(dòng)并相對(duì)于線圈保持靜止時(shí)，檢流計(jì)的指針?lè)祷氐搅悖驗(yàn)榇艌?chǎng)沒(méi)有物理運(yùn)動(dòng)。

同樣，當(dāng)磁鐵“遠(yuǎn)離”線圈向另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)的指針相對(duì)于第一次指示的極性變化向相反方向偏轉(zhuǎn)。然后，通過(guò)將磁鐵來(lái)回移向線圈，檢流計(jì)的指針將根據(jù)磁鐵的運(yùn)動(dòng)方向向左或向右偏轉(zhuǎn)，正或負(fù)。

通過(guò)移動(dòng)磁鐵進(jìn)行電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)

同樣，如果磁鐵現(xiàn)在保持靜止，并且只有線圈向磁鐵移動(dòng)或遠(yuǎn)離磁鐵，檢流計(jì)的指針也會(huì)向任一方向偏轉(zhuǎn)。然后，通過(guò)磁場(chǎng)移動(dòng)線圈或?qū)Ь€環(huán)的動(dòng)作會(huì)在線圈中感應(yīng)出電壓，感應(yīng)電壓的大小與運(yùn)動(dòng)的速度或速率成正比。

然后我們可以看到，磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)得越快，線圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)或電壓就越大，因此法拉第定律要成立，線圈和磁場(chǎng)之間必須存在“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”或運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)、線圈或兩者都可以移動(dòng)。

法拉第感應(yīng)定律

從上述描述中我們可以說(shuō)，電壓與變化的磁場(chǎng)之間存在關(guān)系，邁克爾·法拉第著名的電磁感應(yīng)定律指出：“每當(dāng)導(dǎo)體和磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中就會(huì)感應(yīng)出電壓，并且該電壓的大小與磁通量的變化率成正比”。

換句話說(shuō)，電磁感應(yīng)是利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電壓的過(guò)程，在閉合電路中產(chǎn)生電流。

那么僅使用磁力可以在線圈中感應(yīng)出多少電壓（電動(dòng)勢(shì)）呢？這由以下三個(gè)不同的因素決定。

1). 增加線圈中的導(dǎo)線匝數(shù)——通過(guò)增加切割磁場(chǎng)的單個(gè)導(dǎo)體的數(shù)量，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將是線圈所有單個(gè)環(huán)的總和，因此如果線圈中有20匝，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將比單根導(dǎo)線多20倍。

2). 增加線圈和磁鐵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度——如果相同的線圈通過(guò)相同的磁場(chǎng)，但其速度或速率增加，導(dǎo)線將以更快的速率切割磁力線，因此會(huì)產(chǎn)生更多的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

3). 增加磁場(chǎng)的強(qiáng)度——如果相同的線圈以相同的速度通過(guò)更強(qiáng)的磁場(chǎng)移動(dòng)，由于有更多的磁力線切割，將產(chǎn)生更多的電動(dòng)勢(shì)。

如果我們能夠以恒定的速度和距離將上圖所示的磁鐵移入和移出線圈而不停止，我們將產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的感應(yīng)電壓，該電壓將在正極性和負(fù)極性之間交替變化，產(chǎn)生交流或AC輸出電壓，這是發(fā)電機(jī)工作原理的基本原理，類似于用于發(fā)電機(jī)和汽車交流發(fā)電機(jī)的原理。

在小型發(fā)電機(jī)（如自行車發(fā)電機(jī)）中，一個(gè)小型永磁體通過(guò)自行車車輪的作用在固定線圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)。或者，由固定直流電壓供電的電磁鐵可以在固定線圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)，例如在大型發(fā)電機(jī)中，這兩種情況下都會(huì)產(chǎn)生交流電。

使用磁感應(yīng)的簡(jiǎn)單發(fā)電機(jī)

電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)

上面的簡(jiǎn)單發(fā)電機(jī)由一個(gè)永磁體組成，該永磁體圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)，線圈放置在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旁邊。當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈頂部和底部周圍的磁場(chǎng)不斷在北極和南極之間變化。磁場(chǎng)的這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在線圈中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，如法拉第電磁感應(yīng)定律所定義。

電磁感應(yīng)的大小與磁通密度β成正比，環(huán)的數(shù)量給出導(dǎo)體的總長(zhǎng)度l（以米為單位），以及磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)的變化速率或速度ν（以米/秒或m/s為單位），由動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式給出：

法拉第動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式

法拉第感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電壓

如果導(dǎo)體不以直角（90°）移動(dòng)通過(guò)磁場(chǎng)，則角度θ°將添加到上述表達(dá)式中，隨著角度的增加，輸出減少：

非直角的電動(dòng)勢(shì)電壓楞次電磁感應(yīng)定律

法拉第定律告訴我們，通過(guò)在磁場(chǎng)中移動(dòng)導(dǎo)體或?qū)⒋艌?chǎng)移過(guò)導(dǎo)體，可以在導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓，并且如果該導(dǎo)體是閉合電路的一部分，電流將流動(dòng)。該電壓稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)樗怯勺兓拇艌?chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)感應(yīng)到導(dǎo)體中的，法拉第定律中的負(fù)號(hào)告訴我們感應(yīng)電流的方向（或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性）。

但是，變化的磁通量會(huì)在線圈中產(chǎn)生變化的電流，正如我們?cè)陔姶盆F教程中看到的，這本身會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。這種自感電動(dòng)勢(shì)反對(duì)引起它的變化，電流變化得越快，反對(duì)的電動(dòng)勢(shì)就越大。這種自感電動(dòng)勢(shì)根據(jù)楞次定律反對(duì)線圈中電流的變化，并且由于其方向，這種自感電動(dòng)勢(shì)通常稱為反電動(dòng)勢(shì)。

楞次定律指出：“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向總是反對(duì)引起它的變化”。換句話說(shuō)，感應(yīng)電流總是反對(duì)最初引起感應(yīng)電流的運(yùn)動(dòng)或變化，這個(gè)想法在電感分析中被發(fā)現(xiàn)。

同樣，如果磁通量減少，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將通過(guò)產(chǎn)生并感應(yīng)磁通量來(lái)反對(duì)這種減少，該磁通量添加到原始磁通量中。

楞次定律是電磁感應(yīng)中確定感應(yīng)電流流動(dòng)方向的基本定律之一，并且與能量守恒定律有關(guān)。

根據(jù)能量守恒定律，宇宙中的總能量將始終保持恒定，因?yàn)槟芰坎荒鼙粍?chuàng)造或破壞。楞次定律是從邁克爾·法拉第的感應(yīng)定律推導(dǎo)出來(lái)的。

關(guān)于楞次定律在電磁感應(yīng)中的最后一點(diǎn)評(píng)論。我們現(xiàn)在知道，當(dāng)導(dǎo)體和磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。

但導(dǎo)體實(shí)際上可能不是線圈電路的一部分，而可能是線圈的鐵芯或系統(tǒng)的其他金屬部分，例如變壓器。系統(tǒng)中金屬部分內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)導(dǎo)致循環(huán)電流在其周圍流動(dòng)，這種類型的核心電流稱為渦流。

由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流在線圈核心或磁場(chǎng)內(nèi)的任何連接金屬部件周圍循環(huán)，因?yàn)閷?duì)于磁通量，它們就像單圈導(dǎo)線一樣。渦流對(duì)系統(tǒng)的有用性沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，而是通過(guò)像負(fù)力一樣反對(duì)感應(yīng)電流的流動(dòng)，在核心內(nèi)產(chǎn)生電阻加熱和功率損耗。然而，在某些電磁感應(yīng)爐應(yīng)用中，僅使用渦流來(lái)加熱和熔化鐵磁金屬

變壓器中的渦流循環(huán)

渦流

上面變壓器鐵芯中的變化磁通量不僅會(huì)在初級(jí)和次級(jí)繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，還會(huì)在鐵芯中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。鐵芯是良好的導(dǎo)體，因此固體鐵芯中感應(yīng)的電流會(huì)很大。此外，渦流流動(dòng)的方向根據(jù)楞次定律會(huì)削弱初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通量。因此，初級(jí)線圈中產(chǎn)生給定B場(chǎng)所需的電流增加，因此磁滯曲線沿H軸變寬。

鐵芯分層

鐵芯分層

渦流和磁滯損耗不能完全消除，但可以大大減少。變壓器或線圈的磁芯材料不是實(shí)心鐵芯，而是“分層”的磁路。

這些分層是非常薄的絕緣（通常用清漆）金屬條，連接在一起形成實(shí)心核心。分層增加了鐵芯的電阻，從而增加了對(duì)渦流流動(dòng)的總電阻，因此核心中的感應(yīng)渦流功率損耗減少，這就是為什么變壓器和電機(jī)的磁路都是分層的原因。