自感現象中的感應電流和感應電動勢

徐潤霞

（內蒙古集寧一中 內蒙古 烏蘭察布 012000）

1 引言

自感現象屬于特殊的電磁感應現象，主要是在導體本身電流變化的情況下出現。自感現象廣泛運用于各種無線電技術和電器設備中。例如，鎮流器和日光燈就是對線圈自感現象的運用。在中學《物理》課本中，介紹了斷路自感現象和通電現象是常見的兩種自感現象，同時從電磁感應方面出發，對它們進行了定性解釋。針對相同的電圈來講，具有較快的電流變化速度，磁電量穿過線圈時也會出現較快的變化[1]。本文主要運用物理電磁學有效研究上述兩種自感現象。

2 感應電流

2.1 感應電流的概念

1813年，英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，即“磁生電”的條件，產生的電流叫感應電流。只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就會產生感應電流.因此，“閉合電路的一部分導體在磁感線中做切割磁感線運動，所產生的電流叫感應電流”是片面的，導體不切割磁感線，也能產生感應電流[2]。

2.2 產生感應電流的相關條件

在磁場中，針對閉合電路來說，其部分導體做切割磁感線運動，使得感應電流在導體中產生。切割磁感線運功、一部分導體及閉合電路是感應電流產生的三個條件。

2.3 對感應電流方向如何進行有效判斷

在電磁學中，右手定則判斷的方向與力無關。依靠左手定則的則與力有關，也就是說有關力的使用左手，用右手定則其他的（一般是對感應電流方向進行判斷）。（部分人對上述情況容易記混，能夠看出“力”字撇向左，使用左手；而“電”字撇向右，使用右手）。

導線切割磁感線時，為對其產生的方向進行有效記憶，可以選擇右手手指和手掌的方向進行分辨，也就是將右手伸出，使拇指垂直于剩余四指，在同一平面上和手掌進行良好保持；從手心部位使磁感線進入，使拇指向導線運動方向準確指出，此時，感應電流方向為四指指向的方向。此外導線切割磁感線時，對感應電流方向進行有效判斷的右手定則[3]。

2.4 什么與感應電流大小具有密切的關系

感應電流大小與以下方面具有密切的關系，主要包括：導線切割的速度大小、速度方向、條數及有效長度。主要為：在法拉第電磁感應定律e(t)=-n(dΦ)/(dt)的基礎上，磁力線方向間的夾角θ的正弦、運動方向、運動速度v、導線長度L及磁感應強度B與感應電流大小之間的關系呈現正相關關系。如果磁感應強度B增大，對于切割磁力線來說，會使其導線的長度L增大，使切割速度v提高，并使切割磁力線（θ＝90°）盡可能垂直，同時促進感應電流增大。然而應當注意的一點是：使切割速度提高，從理論層面來說，速度越大效果越顯著，但因電表指針存在較大的慣性，尤其對于大型演示電表來講，當存在過大的切割速度時，指針響應會出現不及時的情況，導致電表顯示出減小的感應電流[4]。因此，在選擇切割速度時，應當注意適當選擇，從而使演示效果獲得較好的成效。

2.5 感應電流的磁場是否會阻礙原來磁場的變化

當用條形磁鐵靠近線圈時，用外力讓線圈面積減小很多，有可能使得的磁通量變小.如磁場變為原來的2倍，即2B；而面積同時減小（用外力減小）到原來的1/4，即0.25S；此時磁通量為原來的1/2；磁通量減小了。據楞次定律，感應的磁場阻礙原磁通量的變化，此時感應的磁場方向應與原磁場方向相同.若由此看來，感應的磁場此時并不阻礙原來磁場的變化。所以我認為感應的磁場總是阻礙原來磁通量的變化，而不是阻礙原來磁場的變化。

3 感應電動勢

3.1 感應電動勢的概念

在閉合電路中，因電磁感應現象而產生的電動勢（電位差）稱為感應電動勢。感應電動勢的計量單位為伏，用符號V表示。感應電動勢的表達式為：E=0.44fΦN，式中E-感應電動勢(V)；f-電流頻率(Hz)；Φ-磁場的磁通量(Wb)；N-線圈的匝數。

3.2 感應電動勢產生的條件

中學階段，感應電動勢分為感生電動勢和動生電動勢兩種。感生電動勢源于穿越閉合回路的磁通量發生變化，這時回路中有電動勢。動生電動勢源于切割磁感線，沒有組成閉合回路的情況下也存在。如果既是閉合回路，回路中的一段又在切割磁感線，那么總電動勢就是兩者簡單相加[5]。

4 感應電流和感應電動勢的關系

感應電流與感應電動勢的大小成正比。由法拉第電磁感應定律e(t)=-n(dΦ)/(dt)，由閉合電路歐姆定律I=E/(R+r)，E為感應電動勢，R為外電路總電阻，r為內電阻。結論：感應電流與感應電動勢的大小成正比[6]。

此外，部分學者[7]也指出，閉合線路中有電流存在，必然有電動勢（水往低處流的原理）。電流是由電源的電動勢引起的。在電磁感應現象中產生的電動勢叫做感應電動勢。產生感生電動勢的那部分做切割磁力線運動的導體就相當于電源。感生電動勢的大小跟穿過閉合電路的磁通量改變的快慢有關系（也就是線圈切割磁力線的磁感應強度、導體長度、切割速度以及線圈與磁力線方向間夾角有關）。在物理課本中的公式（及解釋）：在勻強磁場中，當一段導體做勻速切割磁感線運動時，不論是否閉合電路，磁力線方向間的夾角θ的正弦、運動方向、運動速度v、導線長度L及磁感應強度B與感應電流大小之間的關系均呈現正相關關系。

5 感應電流方向和感應電動勢方向的關系

在電源內，二者異向，電源外，二者同向.導體棒切割磁場產生感應電流，切割部分相當于電源.電源內部電流由負極流向正極，也就是由低電勢流向高電勢，（因為安培力做功）.

6 結語

綜上所述，當改變流過線圈的電流時，會改變穿過線圈的磁通量，從而使自感電動勢產生，并對線圈中原來電流變化產生阻礙作用，當在增大原來電流的狀況下，相比于原來電流方向，自感電動勢存在相反的方向；當在減小原來電流的狀況下，相比于原來電流方向，自感電動勢存在相同的方向。感應電流和感應電動勢是高中《物理》課本中的重要內容，但該部分知識較為復雜，不易理解。本文通過對感應電流和感應電動勢的介紹，能夠使學生對兩者和兩者之間的關系進行充分認識，從而促進學生物理學習成績顯著提高。

[1] 馬愛清，王淑情，張綺華，等.高壓交流輸電線路曝露場強限值下人體感應電場和感應電流分析[J].高電壓技術，2015，41(5)：1637-1643.

[2] 張瑞成，卓叢林.基于轉子感應電流影響的軋機主傳動機電耦合系統參激振動機理研究[J].振動與沖擊，2016，35(17)：1-6.

[3] 鄭濤，陳佩璐，劉連光，等.地磁感應電流對電流互感器傳變特性及差動保護的影響[J].電力系統自動化，2013，(22)：84-89.

[4] 尹偉科，魏兵，朱湘琴，等.一種計算HEMP環境下電纜感應電流的混合算法[J].強激光與粒子束，2017，29(10)：61-66.

[5] 邱日強，朱峰，茍江川，等.架空屏蔽電纜-大地耦合的感應電流諧振分析[J].高電壓技術，2015，41(4)：1243-1248.

[6] 馬愛清，王淑情，張綺華，等.高壓交流輸電線路曝露場強限值下人體感應電場和感應電流分析[J].高電壓技術，2015，41(5)：1637-1643.

[7] 張瑞成，卓叢林.基于轉子感應電流影響的軋機主傳動機電耦合系統參激振動機理研究[J].振動與沖擊，2016，35(17)：1-6.