電磁感應

當直流電流通過(guò)長(cháng)直導體時(shí)，會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生磁化力和靜態(tài)磁場(chǎng)

電磁感應利用電與磁之間的關(guān)系，即通過(guò)單根導線(xiàn)的電流會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。如果將導線(xiàn)繞成線(xiàn)圈，磁場(chǎng)會(huì )大大增強，在線(xiàn)圈周?chē)纬梢粋€(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，形狀類(lèi)似于條形磁鐵，具有明顯的北極和南極。

空心電磁線(xiàn)圈

空心線(xiàn)圈

線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生的磁通量與線(xiàn)圈繞組中流動(dòng)的電流量成正比，如圖所示。如果在同一線(xiàn)圈上繞上額外的導線(xiàn)層，并且相同的電流通過(guò)它們，靜態(tài)磁場(chǎng)強度將會(huì )增加。

因此，線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強度由線(xiàn)圈的安培匝數決定。線(xiàn)圈中的導線(xiàn)匝數越多，其周?chē)撵o態(tài)磁場(chǎng)強度越大。

但是，如果我們反轉這個(gè)想法，斷開(kāi)線(xiàn)圈的電流，并在線(xiàn)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(xiàn)圈，磁通量的物理運動(dòng)會(huì )在線(xiàn)圈中感應出電流。

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(xiàn)圈，線(xiàn)圈中也會(huì )感應出電流。然后，通過(guò)移動(dòng)導線(xiàn)或改變磁場(chǎng)，我們可以在線(xiàn)圈中感應出電壓和電流，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為電磁感應，是變壓器、電動(dòng)機和發(fā)電機的基本工作原理。電磁感應最早由邁克爾·法拉第在19世紀30年代發(fā)現。法拉第注意到，當他將永磁體移入和移出線(xiàn)圈或單圈導線(xiàn)時(shí)，會(huì )感應出電動(dòng)勢（emf），換句話(huà)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)，即法拉第電磁感應定律。那么這是如何工作的呢？

當下面所示的磁鐵“朝向”線(xiàn)圈移動(dòng)時(shí)，檢流計（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。當磁鐵停止移動(dòng)并相對于線(xiàn)圈保持靜止時(shí)，檢流計的指針?lè )祷氐搅?，因為磁?chǎng)沒(méi)有物理運動(dòng)。

同樣，當磁鐵“遠離”線(xiàn)圈向另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，檢流計的指針相對于第一次指示的極性變化向相反方向偏轉。然后，通過(guò)將磁鐵來(lái)回移向線(xiàn)圈，檢流計的指針將根據磁鐵的運動(dòng)方向向左或向右偏轉，正或負。

通過(guò)移動(dòng)磁鐵進(jìn)行電磁感應

電磁感應

同樣，如果磁鐵現在保持靜止，并且只有線(xiàn)圈向磁鐵移動(dòng)或遠離磁鐵，檢流計的指針也會(huì )向任一方向偏轉。然后，通過(guò)磁場(chǎng)移動(dòng)線(xiàn)圈或導線(xiàn)環(huán)的動(dòng)作會(huì )在線(xiàn)圈中感應出電壓，感應電壓的大小與運動(dòng)的速度或速率成正比。

然后我們可以看到，磁場(chǎng)運動(dòng)得越快，線(xiàn)圈中感應的電動(dòng)勢或電壓就越大，因此法拉第定律要成立，線(xiàn)圈和磁場(chǎng)之間必須存在“相對運動(dòng)”或運動(dòng)，磁場(chǎng)、線(xiàn)圈或兩者都可以移動(dòng)。

法拉第感應定律

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(zhù)名的電磁感應定律指出：“每當導體和磁場(chǎng)之間存在相對運動(dòng)時(shí)，電路中就會(huì )感應出電壓，并且該電壓的大小與磁通量的變化率成正比”。

換句話(huà)說(shuō)，電磁感應是利用磁場(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(xiàn)圈中感應出多少電壓（電動(dòng)勢）呢？這由以下三個(gè)不同的因素決定。

1). 增加線(xiàn)圈中的導線(xiàn)匝數——通過(guò)增加切割磁場(chǎng)的單個(gè)導體的數量，產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢將是線(xiàn)圈所有單個(gè)環(huán)的總和，因此如果線(xiàn)圈中有20匝，感應電動(dòng)勢將比單根導線(xiàn)多20倍。

2). 增加線(xiàn)圈和磁鐵之間的相對運動(dòng)速度——如果相同的線(xiàn)圈通過(guò)相同的磁場(chǎng)，但其速度或速率增加，導線(xiàn)將以更快的速率切割磁力線(xiàn)，因此會(huì )產(chǎn)生更多的感應電動(dòng)勢。

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

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(xiàn)圈而不停止，我們將產(chǎn)生一個(gè)連續的感應電壓，該電壓將在正極性和負極性之間交替變化，產(chǎn)生交流或AC輸出電壓，這是發(fā)電機工作原理的基本原理，類(lèi)似于用于發(fā)電機和汽車(chē)交流發(fā)電機的原理。

在小型發(fā)電機（如自行車(chē)發(fā)電機）中，一個(gè)小型永磁體通過(guò)自行車(chē)車(chē)輪的作用在固定線(xiàn)圈內旋轉?；蛘?，由固定直流電壓供電的電磁鐵可以在固定線(xiàn)圈內旋轉，例如在大型發(fā)電機中，這兩種情況下都會(huì )產(chǎn)生交流電。

使用磁感應的簡(jiǎn)單發(fā)電機

電磁感應發(fā)電機

上面的簡(jiǎn)單發(fā)電機由一個(gè)永磁體組成，該永磁體圍繞中心軸旋轉，線(xiàn)圈放置在旋轉磁場(chǎng)旁邊。當磁鐵旋轉時(shí)，線(xiàn)圈頂部和底部周?chē)拇艌?chǎng)不斷在北極和南極之間變化。磁場(chǎng)的這種旋轉運動(dòng)導致在線(xiàn)圈中感應出交流電動(dòng)勢，如法拉第電磁感應定律所定義。

電磁感應的大小與磁通密度β成正比，環(huán)的數量給出導體的總長(cháng)度l（以米為單位），以及磁場(chǎng)在導體內的變化速率或速度ν（以米/秒或m/s為單位），由動(dòng)生電動(dòng)勢表達式給出：

法拉第動(dòng)生電動(dòng)勢表達式

法拉第感應電動(dòng)勢電壓

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

非直角的電動(dòng)勢電壓楞次電磁感應定律

法拉第定律告訴我們，通過(guò)在磁場(chǎng)中移動(dòng)導體或將磁場(chǎng)移過(guò)導體，可以在導體中感應出電壓，并且如果該導體是閉合電路的一部分，電流將流動(dòng)。該電壓稱(chēng)為感應電動(dòng)勢，因為它是由變化的磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應感應到導體中的，法拉第定律中的負號告訴我們感應電流的方向（或感應電動(dòng)勢的極性）。

但是，變化的磁通量會(huì )在線(xiàn)圈中產(chǎn)生變化的電流，正如我們在電磁鐵教程中看到的，這本身會(huì )產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。這種自感電動(dòng)勢反對引起它的變化，電流變化得越快，反對的電動(dòng)勢就越大。這種自感電動(dòng)勢根據楞次定律反對線(xiàn)圈中電流的變化，并且由于其方向，這種自感電動(dòng)勢通常稱(chēng)為反電動(dòng)勢。

楞次定律指出：“感應電動(dòng)勢的方向總是反對引起它的變化”。換句話(huà)說(shuō)，感應電流總是反對最初引起感應電流的運動(dòng)或變化，這個(gè)想法在電感分析中被發(fā)現。

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

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

根據能量守恒定律，宇宙中的總能量將始終保持恒定，因為能量不能被創(chuàng )造或破壞。楞次定律是從邁克爾·法拉第的感應定律推導出來(lái)的。

關(guān)于楞次定律在電磁感應中的最后一點(diǎn)評論。我們現在知道，當導體和磁場(chǎng)之間存在相對運動(dòng)時(shí)，導體中會(huì )感應出電動(dòng)勢。

但導體實(shí)際上可能不是線(xiàn)圈電路的一部分，而可能是線(xiàn)圈的鐵芯或系統的其他金屬部分，例如變壓器。系統中金屬部分內的感應電動(dòng)勢會(huì )導致循環(huán)電流在其周?chē)鲃?dòng)，這種類(lèi)型的核心電流稱(chēng)為渦流。

由電磁感應產(chǎn)生的渦流在線(xiàn)圈核心或磁場(chǎng)內的任何連接金屬部件周?chē)h(huán)，因為對于磁通量，它們就像單圈導線(xiàn)一樣。渦流對系統的有用性沒(méi)有任何貢獻，而是通過(guò)像負力一樣反對感應電流的流動(dòng)，在核心內產(chǎn)生電阻加熱和功率損耗。然而，在某些電磁感應爐應用中，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 )在初級和次級繞組中感應出電動(dòng)勢，還會(huì )在鐵芯中感應出電動(dòng)勢。鐵芯是良好的導體，因此固體鐵芯中感應的電流會(huì )很大。此外，渦流流動(dòng)的方向根據楞次定律會(huì )削弱初級線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量。因此，初級線(xiàn)圈中產(chǎn)生給定B場(chǎng)所需的電流增加，因此磁滯曲線(xiàn)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(xiàn)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，從而增加了對渦流流動(dòng)的總電阻，因此核心中的感應渦流功率損耗減少，這就是為什么變壓器和電機的磁路都是分層的原因。