電磁感應(yīng)理論及其應(yīng)用

宋霄森 張新陽

摘要：電磁感應(yīng)（Electromagnetic induction）現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應(yīng)電動勢或感生電動勢，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應(yīng)電流（感生電流）邁克爾·法拉第是一般被認(rèn)定為于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)的人，雖然Francesco Zantedeschi1829年的工作可能對此有所預(yù)見。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；熔煉金屬；電磁感應(yīng)電動機(jī)

一、電磁感應(yīng)理論的基本概念

1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后，許多物理學(xué)家便試圖尋找它的逆效應(yīng)，邁克爾·法拉第提出了磁能否產(chǎn)生電，磁能否對電作用的問題，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測量地磁強(qiáng)度時，偶然發(fā)現(xiàn)金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據(jù)這個現(xiàn)象做了銅盤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的銅盤會帶動上方自由懸掛的磁針旋轉(zhuǎn)，但磁針的旋轉(zhuǎn)與銅盤不同步，稍滯后。電磁阻尼和電磁驅(qū)動是最早發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但由于沒有直接表現(xiàn)為感應(yīng)電流，當(dāng)時未能予以說明。

1831年8月，M.法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應(yīng)。緊接著他做了幾十個實(shí)驗(yàn)，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場，運(yùn)動的恒定電流，運(yùn)動的磁鐵，在磁場中運(yùn)動的導(dǎo)體，并把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。進(jìn)而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比，他由此認(rèn)識到，感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢依然存在。

后來，給出了確定感應(yīng)電流方向的楞次定律以及描述電磁感應(yīng)定量規(guī)律的法拉第電磁感應(yīng)定律。并按產(chǎn)生原因的不同，把感應(yīng)電動勢分為動生電動勢和感生電動勢兩種，前者起源于洛倫茲力，后者起源于變化磁場產(chǎn)生的有旋電場。法拉第定律最初是一條基于觀察的實(shí)驗(yàn)定律。后來被正式化，其偏導(dǎo)數(shù)的限制版本，跟其他的電磁學(xué)定律一塊被列麥克斯韋方程組的現(xiàn)代亥維賽版本。法拉第電磁感應(yīng)定律是基于法拉第于1831年所作的實(shí)驗(yàn)。這個效應(yīng)被約瑟夫？亨利大約同時發(fā)現(xiàn)，但法拉第的發(fā)表時間較早。于1834年由俄國科學(xué)家海因里希？楞次發(fā)現(xiàn)的楞次定律，提供了感應(yīng)電動勢的方向，及生成感應(yīng)電動勢的電流方向。

二、電磁感應(yīng)的科技應(yīng)用

1.電磁感應(yīng)汽車車速表

汽車駕駛室內(nèi)的車速表是指示汽車行駛速度的儀表。它是利用電磁感應(yīng)原理，使表盤上指針的擺角與汽車的行駛速度成正比。車速表主要由驅(qū)動軸、磁鐵、速度盤，彈簧游絲、指針軸、指針組成。其中永久磁鐵與驅(qū)動軸相連。在表殼上裝有刻度為公里/小時的表盤。

永久磁鐵的磁感線方向其中一部分磁感線將通過速度盤，磁感線在速度盤上的分布是不均勻的，越接近磁極的地方磁感線數(shù)目越多。當(dāng)驅(qū)動軸帶動永久磁鐵轉(zhuǎn)動時，則通過速度盤上各部分的磁感線將依次變化，順著磁鐵轉(zhuǎn)動的前方，磁感線的數(shù)目逐漸增加，而后方則逐漸減少。由法拉第電磁感應(yīng)原理知道，通過導(dǎo)體的磁感線數(shù)目發(fā)生變化時，在導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流。又由楞次定律知道，感應(yīng)電流也要產(chǎn)生磁場，其磁感線的方向是阻礙（非阻止）原來磁場的變化。用楞次定律判斷出，順著磁鐵轉(zhuǎn)動的前方，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁感線與磁鐵產(chǎn)生的磁感線方向相反，因此它們之間互相排斥；反之后方感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁感線方向與磁鐵產(chǎn)生的磁感線方向相同，因此它們之間相互吸引。由于這種吸引作用，速度盤被磁鐵帶著轉(zhuǎn)動，同時軸及指針也隨之一起轉(zhuǎn)動。

為了使指針能根據(jù)不同車速停留在不同位置上，在指針軸上裝有彈簧游絲，游絲的另一端固定在鐵殼的架上。當(dāng)速度盤轉(zhuǎn)過一定角度時，游絲被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生相反的力矩，當(dāng)它與永久磁鐵帶動速度盤的力矩相等時，則速度盤停留在那個位置而處于平衡狀態(tài)。這時，指針軸上的指針便指示出相應(yīng)的車速數(shù)值。

永久磁鐵轉(zhuǎn)動的速度和汽車行駛速度成正比。當(dāng)汽車行駛速度增大時，在速度盤中感應(yīng)的電流及相應(yīng)的帶動速度盤轉(zhuǎn)動的力矩將按比例地增加，使指針轉(zhuǎn)過更大的角度，因此車速不同指針指出的車速值也相應(yīng)不同。當(dāng)汽車停止行駛時，磁鐵停轉(zhuǎn)，彈簧游絲使指針軸復(fù)位，從而使指針指在“0”處。

2.電磁感應(yīng)熔煉金屬

交流的磁場在金屬內(nèi)感應(yīng)的渦流能產(chǎn)生熱效應(yīng)，這種加熱方法與用燃料加熱相比有很多優(yōu)點(diǎn)，除課本所述外還有：加熱效率高，達(dá)到50～90%；加熱速度快；用不同頻率的交流可得到不同的加熱深度，這是因?yàn)闇u流在金屬內(nèi)不是均勻分布的，越靠近金屬表面層電流越強(qiáng)，頻率越高這種現(xiàn)象越顯著，稱為“趨膚效應(yīng)”。工業(yè)上把感應(yīng)加熱依頻率分為四種：工頻（50赫）；中頻（0.5～8千赫）；超音頻（20～60千赫）；高頻（60～600千赫）。工頻交流直接由配電變壓器提供；中頻交變電流由三相電動機(jī)帶動中頻發(fā)電機(jī)或用可控硅逆變器產(chǎn)生；超音頻和高頻交流由大功率電子管振蕩器產(chǎn)生。

無心式感應(yīng)熔爐的用途是熔煉鑄鐵、鋼、合金鋼和銅、鋁等有色金屬。所用交流的頻率要隨坩鍋能容納的金屬質(zhì)量多少來選擇，以取得最好的效果。例如：5千克的用20千赫，100千克的用2.5千赫，5噸的用1千赫以至50千赫。

冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，讓高頻交變電流通過線圈，被冶煉的金屬中就產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，適于冶煉特種合金和特種鋼。

感應(yīng)加熱法也廣泛用于鋼件的熱處理，如淬火、回火、表面滲碳等，例如齒輪、軸等只需要將表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高頻交流的空心線圈中，表面層在幾秒鐘內(nèi)就可上升到淬火需要的高溫，顏色通紅，而其內(nèi)部溫度升高很少，然后用水或其他淬火劑迅速冷卻就可以了，其他的熱處理工藝，可根據(jù)需要的加熱深度選用中頻或工頻等。

3.電磁感應(yīng)電動機(jī)

發(fā)電機(jī)可以“反過來”運(yùn)作，成為電動機(jī)。例如，用法拉第碟片這例子，設(shè)一直流電流由電壓驅(qū)動，通過導(dǎo)電軸臂。然后由洛倫茲力定律可知，行進(jìn)中的電荷受到磁場B的力，而這股力會按佛來明左手定則訂下的方向來轉(zhuǎn)動碟片。在沒有不可逆效應(yīng)（如摩擦或焦耳熱）的情況下，碟片的轉(zhuǎn)動速率必需使得dΦB/dt等于驅(qū)動電流的電壓。

三、電磁感應(yīng)的重要意義

法拉第的實(shí)驗(yàn)表明，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化就有電流產(chǎn)生。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。法拉第根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出了如下定律：電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。感應(yīng)電動勢用ε表示，即ε=nΔΦ/Δt這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了電和磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系。法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義在于，一方面，依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機(jī)，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都有廣泛的應(yīng)用。人類社會從此邁進(jìn)了電氣化時代。

參考文獻(xiàn)：

[1]程嗣、胡保祥，《電磁感應(yīng)》，湖北教育出版社（2004-02出版）

[2]張社奇，《大學(xué)物理學(xué)》，中國農(nóng)業(yè)出版社