電磁感應的研究與應用

周凱

一、電磁感應的發現

1820年H.C.奧斯特發現電流磁效應后，許多物理學家便試圖尋找它的逆效應，提出了磁能否產生電以及磁能否對電產生作用的問題。1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測量地磁強度時，偶然發現金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據這個現象做了銅盤實驗，發現轉動的銅盤會帶動上方自由懸掛的磁針旋轉，但磁針的旋轉與銅盤不同步，稍滯后。電磁阻尼和電磁驅動是最早發現的電磁感應現象，但由于沒有直接表現為感應電流，當時未能予以說明。

1831年8月，M.法拉第在軟鐵環兩側分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關，形成有電源的閉合回路。實驗發現，合上開關，磁針偏轉;切斷開關，磁針反向偏轉，這表明在無電池組的線圈中出現了感應電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態效應。緊接著他做了幾十個實驗，把產生感應電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場，運動的恒定電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導體，并把這些現象正式定名為電磁感應。進而，法拉第發現，在相同條件下不同金屬導體回路中產生的感應電流與導體的導電能力成正比，他由此認識到，感應電流是由與導體性質無關的感應電動勢產生的，即使沒有回路沒有感應電流，感應電動勢依然存在。后來，給出了確定感應電流方向的楞次定律以及描述電磁感應定量規律的法拉第電磁感應定律。并按產生原因的不同，把感應電動勢分為動生電動勢和感生電動勢兩種。

二、電磁感應的現象

電磁感應（Electromagnetic induction）又稱磁電感應現象，是指閉合電路的一部分導體在磁場中作“切割”磁感線運動，導體中就會產生電流的現象。這種利用磁場產生電流的現象叫做電磁感應現象，產生的電流叫做感應電流。

其實在我們經歷的高考中，遠距離輸電不正是電磁感應現象的典型應用嗎？考慮實際利用率，我們往往采用高壓輸電，輸電功率達到額定后，電流減小，但問題來了：我們生活用電是220V電壓，高壓不能直接利用。由此而來，變壓器便應孕而生。發電廠產生周期性的交變電壓由變壓器先升高電壓，經過遠距離電線到達目的地，再由變壓器降低電壓輸送到千家萬戶。一個簡單的單相變壓器是由兩個導電體組成的（不相接）。當其中一個導電體有變化的電流通過，便產生變化的磁場，根據電磁互感原理，便在第二個導電體中產生感應電動勢，若有完整的閉合回路，就產生了感應電流。

三、電磁感應的應用

1.電磁爐

物理理論應用于生活實際的例子比比皆是，家用電磁爐正是互感現象的典型應用。電磁爐又名電磁灶，是現代廚房革命的產物，它無需明火或傳導式加熱而讓熱直接在鍋底產生，因此熱效率得到了極大的提高。是一種高效節能櫥具，完全區別于傳統所有的有火或無火傳導加熱廚具。電磁爐是利用電磁感應加熱原理制成的電氣烹飪器具。由高頻感應加熱線圈（即勵磁線圈）、高頻電力轉換裝置、控制器及鐵磁材料鍋底炊具等部分組成。使用時，加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產生一交變磁場，交變磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產生大量渦流，從而產生烹飪所需的熱。在加熱過程中沒有明火，因此安全、衛生。我在此也做了一個有趣的實驗——能讓小燈泡發光的電磁爐。我所準備的東西有電磁爐、線圈、燈泡、濕毛巾、錫紙。讓濕毛巾包裹住錫紙并放在電磁爐上，線圈與小燈泡相連，然后將線圈放置在濕毛巾上。接通電磁爐開關，觀察到小燈泡發光了。電磁互感原理再次得到驗證。

2.電磁感應燈

近來家里裝修，閑逛燈具市場時發現了一種新的電燈——無極燈。通過銷售人員的展示，我們被可以變化的柔感燈光吸引了，由于好奇我回家上網又查了一下：無極燈又名電磁感應燈，它沒有電極，依靠電磁感應和氣體放電的基本原理而發光。基于上述原理，氣體通過磁場放電而產生了可見光。即由電子鎮流器產生的頻率為230KHz，金屬線圈磁環組成的電磁變壓器在玻璃管（含有特殊工作氣體）周圍創造了磁場。由線圈引起的放電路徑形成一個閉路，從而引起自由電子的加速度。這些自由電子和汞原子相碰撞而激發了電子.因為激活的電子從高能態退到低能態，他們放射出紫外線，當通過玻璃管表面的三基色熒光粉時，產生的紫外線轉化成可見光。

同時，電磁感應燈的暖白光比黃色的鈉燈更合適應用于道路照明.因為暖白光接近于陽光的表現效果，所以能給路人以溫暖的心里感受，同時有著更好的可視性，人們易于在暖白光下辨別道路和周邊環境顏色的特點，保證道路行駛的安全性和舒適性。

3.磁懸浮音響

提起磁懸浮，相信大多數人最先想到會是磁懸浮列車。事實上，除了交通運輸領域，這項技術已經在各個方面得到應用。生活中常見的臺燈、洗衣機、電磁爐、鼠標、展示架、地球儀等都已經出了它的“磁懸浮”版。每一次出場，這項技術都能給原本稀松平常的產品帶來驚艷科幻效果。隨著智能家庭化的普及，AI助手，智能音箱已進入我們的家庭，而磁懸浮音箱更是科技感十足。金屬球的懸浮的是利用高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來實現的。將一個金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時，高頻電磁場會在金屬材料表面產生一高頻渦流，這一高頻渦流與外磁場相互作用，使金屬樣品受到一個洛淪茲力的作用。這個力與金屬球的重力相互抵消，使其可以在空中保持一種平衡狀態。

四、電磁感應的前景

立足當下，面對未來，科學技術與工業的結合，就誕生了智能一體化生產;科學技術和農業的結合，就產生了數字化現代農業科技;科學技術和金融業的結合，使得網上銀行等新興金融機構誕生了。科學技術會通過更加多元碎片的形式融入到我們的生活中，比如：當下的疫情發展，科學技術憑借自己得天獨厚的優勢影響及改革著教育方面。在智能化方面上，智能上網，語音交流在網絡技術中得到更好的體現。相信今后的科學技術發展勢頭更加迅猛，相信以后的智能機器人走入我們千家萬戶，相信我們的生活更加美好。