電磁感應的理解與應用

◆陳泓錕

(武漢市育才高中)

電磁感應的理解與應用

◆陳泓錕

(武漢市育才高中)

電磁感應現象是放在變化磁通量中的導體，會產生電動勢，一般表現為兩種形式，即動生電動勢與感生電動勢。對這兩種電動勢從產生機制、能量轉換等角度分別進行描述，來理解它們的統一和區別。電磁感應現象在生活中有很多的應用，對常見的幾種例子分別進行闡述，對該現象有更具體的理解。

電磁感應 電動勢 應用

一、電磁感應現象

不論電路是否閉合，只要穿過電路的磁通量發生變化，電路中就產生感應電動勢，電路已經具備了隨時輸出電能的能力。如果電路閉合，將會在回路中產生感應電流。這一現象是邁克爾·法拉第于1831年發現的，因此被稱之為法拉第電磁感應定律。這是自奧斯特發現了電流產生磁場之后，在電磁學中的另一偉大發現，它不僅揭示了電與磁之間的內在聯系，而且為電與磁之間的相互轉化奠定了基礎。

通過大量的實驗，法拉第給出了感應電動勢的定量表達式1：

(1) 回路或其一部分在磁場中的相對運動所產生的感應電動勢，即變,稱之為動生電動勢；

(2)僅由磁場的變化而產生的感應電動勢，即變,稱之感生電動勢；

1.動生電動勢

在洛倫茲力的作用下，自由電子由B向A運動，在導體棒的下端發生積累，于是A端帶負電，B端由于失去電子帶正電。隨著正負電荷在導體棒兩端的積累，導體棒內出現了由B指向A端的電場。因此，導體棒內的電子除受到向下的洛倫茲力，還受到向上的電場力的作用，大小為式5：

F=qE，其中q為自由電子，E為感應電勢差；

當導體棒兩端的電荷積累到一定程度時，自由電子受到的洛倫茲力和電場力達到平衡，導體內的自由電子不再因導體棒的移動而發生宏觀移動，導體內電荷分布穩定，導體兩端形成恒定的電勢差。若導體棒AB兩端與固定不動的導線連接構成回路時，回路中便出現感應電流，導體棒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端沿導體內部流向A端，使AB兩端的電荷不斷得到補充，從而使導體棒兩端的電勢差保持恒定，維持回路中的電流不斷。因此，產生動生電動勢實質即非靜電力洛倫茲力。

動生電動勢的產生是由于外力的作用，驅使導體在磁場內運動，整個過程中洛倫茲力與導體的運動方向垂直，即洛倫茲力不做功。因此，動生電動勢能量的變化是外力的機械能轉化為電能。

2.感生電動勢

導體所圍回路面積不變而磁場隨時間變化，產生的電動勢稱之為感生電動勢。若一個閉合電路有一個n匝的線圈，則根據式2得，電路中感應電動勢可以表述為：

感生電動勢時，導體或導體回路不動，而磁場變化。因此產生感生電動勢的原因不可能是洛侖茲力。英國物理學家麥克斯韋指出：變化的磁場會在其周圍空間激發出一種電場，稱為感生電場，其電場線為閉合曲線，所以又稱為渦旋電場。產生感生電動勢的非靜電力是感生電場力(或稱為渦旋電場力)。變化的磁場激發產生的感生電場對磁場中電荷的產生力，電荷可以相對于電場靜止，它受力只是因為它帶電。當變化的磁場中有導體回路時：自由電子受感生電場的作用而產生感生電動勢。所以，產生感生電動勢的原因為非靜電場。

感生電動勢的產生沒有外力的作用，只是由于磁場的變化導致了磁通量的變化，使導體體中的自由電荷受到電場力，驅動自由電荷的定向移動。因此，感生電動勢的能量變化是電磁能轉換為電能。

二、電磁感應的應用

電磁感應現象的發現為電和磁的轉化鋪平了道路，工程及生活應用中很多發明都是根據電磁感應原理制成的，如我們熟知的發電機、電磁爐以及將來肯定會普及的無接觸式充電電池，等等。

如電磁爐：

電磁爐內爐面一般是耐熱陶瓷板，下方有一銅線制線圈，線圈產生交流磁場(強弱不停變化的磁場)，交流磁場通過放在爐面上的鐵磁性金屬器皿時，能量以兩種物理現象在器皿內轉化成熱能：

(1)渦電流，交流磁場使器皿底部產生感應渦電流，渦電流使鍋底迅速發熱，轉化為熱能；

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

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

三、無接觸式充電電池

車的充電裝置相當于汽車燃料的加注站，可以通過反復充電提供車輛持續運行的能源。近年來，國外涌現出了三種非接觸式電動車充電裝置，其中一種充電方式就是利用電磁感應現象，充電原理是：為充電線圈N1提供交流電并產生磁場時，磁力線穿過與之分離一定距離的接收線圈N2。交流電產生的交變磁場，使接收線圈產生相應的感應電動是并對外充電。電磁感應通過送電線圈和接收線圈之間傳輸電力，是最接近實用化的一種充電方式。該應用產生的電動勢類型為感生電動勢。

四、小結

不論是發動機，電磁爐還是無接觸式充電電池都是利用電磁感應原理來實現其他形式的能量向電能的轉化。產生的電動勢類型有動生電動勢、感生電動勢抑或兩種電動勢都存在，電流為交流的形式輸出。除了上述幾種應用實例外，還有很多類似的發明，如汽車車速表，話筒等，在此不一一列舉。

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[2]孫小科.動生電動勢與感生電動勢淺析[J].科技信息，2012，(22)：92-92.

[3]李洪偉.感生電動勢[J].中學物理教學參考，2012，(03)：28-29.