電磁感應(yīng)如何利用和磁之間的關(guān)系

電磁感應(yīng)利用電和磁之間的關(guān)系，電流流過單根導(dǎo)線會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果將導(dǎo)線纏繞成線圈，磁場(chǎng)會(huì)大大增強(qiáng)，在自身周圍產(chǎn)生靜磁場(chǎng)，形成條形磁鐵的形狀，提供明顯的北極和南極。

空心空心線圈如圖所示，線圈周圍產(chǎn)生的磁通量與線圈繞組中流動(dòng)的電流量成正比。如果在同一個(gè)線圈上纏繞更多層導(dǎo)線，使相同的電流流過它們，則靜磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增加。

因此，線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度由線圈的安匝數(shù)決定。線圈內(nèi)的導(dǎo)線匝數(shù)越多，其周圍的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度就越大。

但是，如果我們通過斷開線圈的電流來扭轉(zhuǎn)這個(gè)想法，而不是空心，我們?cè)诰€圈的內(nèi)放置一個(gè)條形磁鐵會(huì)怎么樣。通過將此條形磁鐵從線圈“移入”和“移出”，線圈內(nèi)部磁通量的物理運(yùn)動(dòng)會(huì)在線圈中感應(yīng)出電流。

同樣，如果我們保持條形磁鐵靜止并在磁場(chǎng)中來回移動(dòng)線圈，線圈中就會(huì)感應(yīng)出電流。然后通過移動(dòng)電線或改變磁場(chǎng)，我們可以在線圈內(nèi)感應(yīng)出電壓和電流，這個(gè)過程稱為電磁感應(yīng)，是變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行的基本原理。

早在 1830 年代，邁克爾·法拉第 （Michael Faraday）就首次發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。法拉第注意到，當(dāng)他將永磁體移入和移出線圈或單圈導(dǎo)線時(shí)，它會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)或電動(dòng)勢(shì)，換句話說就是電壓，因此會(huì)產(chǎn)生電流。

因此，邁克爾·法拉第 （Michael Faraday） 發(fā)現(xiàn)了一種僅使用磁場(chǎng)力而不是電池來在電路中產(chǎn)生電流的方法。這就導(dǎo)致了一個(gè)非常重要的將電與磁聯(lián)系起來的定律，即法拉第電磁感應(yīng)定律。那么這是如何工作的呢？

當(dāng)下面顯示的磁鐵“朝向”線圈移動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)的指針或針（基本上是一個(gè)非常靈敏的中心歸零動(dòng)圈電流表）將僅在一個(gè)方向上偏離其中心位置。當(dāng)磁鐵停止移動(dòng)并相對(duì)于線圈保持靜止時(shí)，檢流計(jì)的指針返回零，因?yàn)榇艌?chǎng)沒有物理運(yùn)動(dòng)。

同樣，當(dāng)磁鐵沿另一個(gè)方向“遠(yuǎn)離”線圈時(shí)，檢流計(jì)的指針相對(duì)于個(gè)方向在相反方向偏轉(zhuǎn)，表明極性發(fā)生變化。然后通過朝向線圈來回移動(dòng)磁鐵，檢流計(jì)的針將相對(duì)于磁鐵的方向運(yùn)動(dòng)向左或向右，正向或負(fù)向偏轉(zhuǎn)。

移動(dòng)磁鐵的電磁感應(yīng)

同樣，如果磁鐵現(xiàn)在保持靜止，只有線圈朝向或遠(yuǎn)離磁鐵移動(dòng)，檢流計(jì)的指針也會(huì)向任一方向偏轉(zhuǎn)。然后，通過磁場(chǎng)移動(dòng)線圈或線圈的動(dòng)作會(huì)在線圈中感應(yīng)出電壓，該感應(yīng)電壓的大小與運(yùn)動(dòng)的速度或速度成正比。

然后我們可以看到磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)越快，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電壓就越大，因此要使法拉第定律成立，線圈與磁場(chǎng)之間必須存在“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”或運(yùn)動(dòng)，并且磁場(chǎng)、線圈或兩者都可以移動(dòng)。

法拉第感應(yīng)定律

從上面的描述我們可以說電壓和變化的磁場(chǎng)之間存在關(guān)系，邁克爾法拉第的電磁感應(yīng)定律指出：“只要導(dǎo)體和磁體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電路中就會(huì)感應(yīng)出電壓場(chǎng)，并且該電壓的大小與通量的變化率成正比”。

換句話說，電磁感應(yīng)是利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電壓，并在閉合電路中產(chǎn)生電流的過程。

那么僅使用磁性可以將多少電壓 （emf） 感應(yīng)到線圈中。那么這取決于以下3個(gè)不同的因素。

1）。 增加線圈中電線的匝數(shù)-通過增加穿過磁場(chǎng)的單個(gè)導(dǎo)體的數(shù)量，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將是線圈所有單個(gè)回路的總和，因此，如果線圈中有20匝，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一根電線的20倍。

2）。 提高線圈和磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度——如果同一線圈的電線穿過同一磁場(chǎng)，但其速度或速度增加，電線將以更快的速度切斷磁力線，從而產(chǎn)生更多的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

3）。 增加磁場(chǎng)強(qiáng)度——如果同一線圈的電線在更強(qiáng)的磁場(chǎng)中以相同的速度移動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生更多的電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)樾枰懈畹拇帕€更多。

如果我們能夠在不停止的情況下以恒定的速度和距離將上圖中的磁鐵移入和移出線圈，我們將產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的感應(yīng)電壓，該電壓將在一個(gè)正極性和負(fù)極性之間交替，從而產(chǎn)生交流或交流輸出電壓，這是發(fā)電機(jī)如何工作的基本原理，類似于發(fā)電機(jī)和汽車交流發(fā)電機(jī)中使用的發(fā)電機(jī)。

在自行車發(fā)電機(jī)等小型發(fā)電機(jī)中，小型永磁體在固定線圈內(nèi)的自行車車輪的作用下旋轉(zhuǎn)。或者，可以使由固定直流電壓供電的電磁鐵在固定線圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)，例如在兩種情況下產(chǎn)生交流電的大型發(fā)電機(jī)中。

使用磁感應(yīng)的簡(jiǎn)單發(fā)電機(jī)

上面的簡(jiǎn)單發(fā)電機(jī)型發(fā)電機(jī)由一個(gè)圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的永磁體組成，在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旁邊放置一個(gè)線圈。隨著磁鐵旋轉(zhuǎn)，線圈頂部和底部周圍的磁場(chǎng)不斷在北極和南極之間變化。磁場(chǎng)的這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致交變電動(dòng)勢(shì)被感應(yīng)到線圈中，正如法拉第電磁感應(yīng)定律所定義的那樣。

電磁感應(yīng)的大小與磁通密度成正比，β給出導(dǎo)體總長(zhǎng)度的環(huán)數(shù)，以米為單位，以及磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)變化的速率或速度ν ，以米/秒為單位或 m/s，由運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式給出：

法拉第的動(dòng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式

如果導(dǎo)體不以與磁場(chǎng)成直角 （90°） 的方式移動(dòng)，則角度 θ° 將添加到上述表達(dá)式中，隨著角度的增加輸出會(huì)減少：

楞次電磁感應(yīng)定律

法拉第定律告訴我們，在導(dǎo)體中感應(yīng)電壓可以通過將其通過磁場(chǎng)或?qū)⒋艌?chǎng)移過導(dǎo)體來完成，如果該導(dǎo)體是閉合電路的一部分，電流就會(huì)流動(dòng)。這個(gè)電壓被稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)樗峭ㄟ^電磁感應(yīng)引起的變化磁場(chǎng)感應(yīng)到導(dǎo)體中的，法拉第定律中的負(fù)號(hào)告訴我們感應(yīng)電流的方向（或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性）。

但是變化的磁通量會(huì)通過線圈產(chǎn)生變化的電流，正如我們?cè)陔姶盆F教程中看到的那樣，線圈本身會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。這種自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與引起它的變化相反，電流變化率越快，相反的電動(dòng)勢(shì)就越大。根據(jù)楞次定律，這種自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將與線圈中電流的變化相反，并且由于其方向，這種自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通常稱為反電動(dòng)勢(shì)。

楞次定律指出：“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向總是與引起它的變化相反”。換句話說，感應(yīng)電流將始終反對(duì)首先啟動(dòng)感應(yīng)電流的運(yùn)動(dòng)或變化，并且在電感分析中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)想法。

同樣，如果磁通量減少，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將通過生成和增加原始磁通量的感應(yīng)磁通量來對(duì)抗這種減少。

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

根據(jù)能量守恒定律，宇宙中的能量總量將永遠(yuǎn)保持不變，因?yàn)槟芰考炔粫?huì)產(chǎn)生也不會(huì)消失。楞次定律源自邁克爾·法拉第的感應(yīng)定律。

關(guān)于關(guān)于電磁感應(yīng)的楞次定律的評(píng)論。我們現(xiàn)在知道，當(dāng)導(dǎo)體和磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。

但導(dǎo)體實(shí)際上可能不是線圈電路的一部分，而可能是線圈鐵芯或系統(tǒng)的某些其他金屬部件，例如變壓器。系統(tǒng)的這個(gè)金屬部分內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致循環(huán)電流在其周圍流動(dòng)，這種類型的電流被稱為渦流。

電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流圍繞線圈芯或磁場(chǎng)內(nèi)的任何連接金屬部件循環(huán)，因?yàn)閷?duì)于磁通量而言，它們的作用就像一個(gè)導(dǎo)線環(huán)。渦流對(duì)系統(tǒng)的實(shí)用性沒有任何貢獻(xiàn)，而是通過像負(fù)力一樣在內(nèi)產(chǎn)生電阻加熱和功率損耗來反對(duì)感應(yīng)電流的流動(dòng)。然而，存在僅使用渦流來加熱和熔化鐵磁金屬的電磁感應(yīng)爐應(yīng)用。

渦流在變壓器中循環(huán)

上述變壓器鐵芯中不斷變化的磁通量會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不僅在初級(jí)和次級(jí)繞組中，而且在鐵芯中。鐵芯是良導(dǎo)體，所以在實(shí)心鐵芯中感應(yīng)的電流會(huì)很大。此外，渦流沿一個(gè)方向流動(dòng)，根據(jù)楞次定律，該方向會(huì)削弱初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通量。因此，產(chǎn)生給定B場(chǎng)所需的初級(jí)線圈中的電流增加，因此磁滯曲線沿H軸更寬。

層壓鐵芯渦流和磁滯損耗不能完全消除，但可以大大降低。變壓器或線圈的磁芯材料不是實(shí)心鐵芯，而是“疊層”磁路。

這些疊片是非常薄的絕緣（通常帶有清漆）金屬條連接在一起以產(chǎn)生實(shí)心芯。疊片增加了鐵芯的電阻，從而增加了對(duì)渦流流動(dòng)的整體阻力，從而減少了鐵芯中的感應(yīng)渦流功率損耗，這就是為什么變壓器的磁鐵回路和電機(jī)都是層壓的。