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電磁感應(yīng)（1831年法拉第發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象）

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電磁感應(yīng)

1831年法拉第發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象

電磁感應(yīng)（Electromagnetic induction）又稱(chēng)磁電感應(yīng)現(xiàn)象，是指閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。這種利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。

基本信息

中文名

電磁感應(yīng)

英文名

Electromagnetic induction

提出時(shí)間

1831年

相關(guān)人物

邁克爾.法拉第

相關(guān)著作

法拉第電磁感應(yīng)定律

研究對(duì)象

磁生電現(xiàn)象

運(yùn)用領(lǐng)域

電磁學(xué)

起源地

英國(guó)

1831年，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾.法拉第（Michael Faraday）獲悉亨利（Joseph Henry）在紐約奧爾巴尼（Albany）做的實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，亨利使用了電磁力非常強(qiáng)的電磁鐵。法拉第立即有了觀(guān)測(cè)力線(xiàn)使電磁材料產(chǎn)生應(yīng)變的想法，最終經(jīng)過(guò)不懈努力證明了“磁生電”現(xiàn)象。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是電磁學(xué)領(lǐng)域中最偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)有許多應(yīng)用，包括變壓器、電磁爐、無(wú)線(xiàn)充電器，以及電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備都是基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)而來(lái)的。

發(fā)現(xiàn)歷史

1820年，丹麥物理學(xué)家漢斯·克海斯提安·奧斯特(丹麥語(yǔ):Hans Christian ?rsted）發(fā)現(xiàn)電與磁之間的聯(lián)系，并引來(lái)一系列相關(guān)的科學(xué)活動(dòng)。科學(xué)期刊收到了許多描述電磁效應(yīng)和試圖解釋它們的有關(guān)文章，哲學(xué)雜志的編輯請(qǐng)法拉第進(jìn)行評(píng)審。面對(duì)這樣大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和推斷，法拉第開(kāi)始系統(tǒng)地研究電磁現(xiàn)象。

1831年，法拉第獲悉亨利（Joseph Henry）在紐約奧爾巴尼（Albany）做的實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，亨利使用了電磁力非常強(qiáng)的電磁鐵。法拉第立即有了觀(guān)測(cè)力線(xiàn)使電磁材料產(chǎn)生應(yīng)變的想法。他把絕緣導(dǎo)線(xiàn)纏繞在粗鐵環(huán)上，從而能在鐵環(huán)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。應(yīng)變效應(yīng)能用另一個(gè)纏繞在環(huán)上的線(xiàn)圈探測(cè)到，這個(gè)繞組與一個(gè)電流計(jì)連接以測(cè)量產(chǎn)生的電流。1831年10月17日，他進(jìn)行了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)：向一個(gè)連接有電流計(jì)的長(zhǎng)線(xiàn)圈（或螺線(xiàn)管）移動(dòng)圓柱形磁鐵時(shí)，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生了電流。然后，1831年10月28日，他在倫敦皇家學(xué)會(huì)做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，證明在社會(huì)上購(gòu)買(mǎi)的“大馬蹄形磁鐵”的磁極之間旋轉(zhuǎn)一個(gè)銅圓盤(pán)時(shí)，可以產(chǎn)生持續(xù)電流。銅圓盤(pán)的軸和邊緣與電流計(jì)滑動(dòng)接觸，銅圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)。1831年11月4日，法拉第發(fā)現(xiàn)在磁鐵兩極之間簡(jiǎn)單移動(dòng)銅導(dǎo)線(xiàn)時(shí)可以產(chǎn)生電流。這樣，在4個(gè)月內(nèi)，他發(fā)明了變壓器與發(fā)電機(jī)變壓器與發(fā)電機(jī)。

1834年，楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）宣布澄清了電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向問(wèn)題：在電路中，電動(dòng)勢(shì)的方向反抗磁通量的變化（楞次定律）。

1864年，麥克斯韋推斷出光確實(shí)是一種電磁輻射。將法拉第的思想和發(fā)現(xiàn)放入數(shù)學(xué)表達(dá)式中，推導(dǎo)出在真空中傳播的任何電磁波都以光速行進(jìn)，反向驗(yàn)證了法拉第電磁感應(yīng)定律的準(zhǔn)確性。

計(jì)算方法

1.法拉第電磁感應(yīng)定律基本公式

公式為：

式中，ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；n為線(xiàn)圈匝數(shù)；Φ為磁通量，

為磁通量隨時(shí)間的變化率。

2.洛倫茲力

公式為：F=qvBsinθ

式中，F(xiàn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的力；q為電荷量；v為電荷的速度；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；θ為電荷速度和磁場(chǎng)方向的夾角。

3.感應(yīng)電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)

公式為：

式中，ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；L為線(xiàn)圈的自感系數(shù)；

為電流隨時(shí)間的變化率。

4.電磁感應(yīng)功率

公式為：P=εi

式中，P為電磁感應(yīng)產(chǎn)生的功率；ε為電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)；i為電流強(qiáng)度。

5.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值

公式為：

式中，

為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值；T為一個(gè)周期的時(shí)間。

應(yīng)用

電磁感應(yīng)作為一種重要的物理現(xiàn)象，在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)

利用電磁感應(yīng)原理制造的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是電力工業(yè)的重要設(shè)備，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。

發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。在它內(nèi)部的轉(zhuǎn)子上裝有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)磁通量的變化和導(dǎo)體中電場(chǎng)磁場(chǎng)的相互作用，就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)中的電能輸出通常是交流電。

電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。它的工作原理與發(fā)電機(jī)相反，是通過(guò)將電能輸入至電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，加上磁鐵的磁場(chǎng)，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，使電動(dòng)機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)，從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)有交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。

變壓器

變壓器利用電磁感應(yīng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的互相轉(zhuǎn)換，起到升壓、降壓、隔離、穩(wěn)壓等功能。

變壓器由鐵芯和兩個(gè)繞組組成：一個(gè)是輸入繞組，也稱(chēng)為初級(jí)繞組，另一個(gè)是輸出繞組，也稱(chēng)為次級(jí)繞組。

當(dāng)輸入繞組通過(guò)一定的電壓時(shí)，輸入繞組中就會(huì)形成一定的電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生一個(gè)磁通量。當(dāng)磁通量在鐵芯中的方向發(fā)生改變時(shí)，次級(jí)繞組中的電磁感應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)差，也就是輸出電壓，與輸入電壓相比，改變輸入繞組的匝數(shù)可以改變輸出繞組的電壓水平。

渦流加熱技術(shù)

利用電磁感應(yīng)原理，在導(dǎo)體線(xiàn)圈上接入工頻交流電源，生成環(huán)形電流磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流一渦流。這些電流在加熱線(xiàn)圈的導(dǎo)體上產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而達(dá)到給導(dǎo)體線(xiàn)圈外部介質(zhì)加熱的目的。電磁感應(yīng)渦流加熱裝置由電源供電系統(tǒng)、渦流感應(yīng)器、導(dǎo)熱體、傳感器等幾部分組成。

環(huán)形導(dǎo)體線(xiàn)圈本身并不發(fā)熱，導(dǎo)體線(xiàn)圈繞組采用絕緣耐溫材料進(jìn)行保護(hù)，發(fā)熱體內(nèi)外電位差為零，不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似電加熱棒因內(nèi)部電陽(yáng)絲市穿絕緣體與外加熱管壁短路，產(chǎn)生電火花的現(xiàn)象。由于發(fā)熱源是導(dǎo)體線(xiàn)圈的電磁感應(yīng)即渦流效應(yīng)，加熱部性熱量均今分布，傳熱效果好，發(fā)熱量易于控制，可有效地解決得油降粘問(wèn)題，并且被加熱的介質(zhì)可以是各種容器里的液體、氣體，防爆性能良好。

讀卡器

讀卡器是一種能夠讀取磁卡信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的裝置，其工作原理也是基于電磁感應(yīng)原理。

讀卡器主要由磁頭、信號(hào)處理電路和輸入輸出接口等組成。磁頭通常是由金屬線(xiàn)圈、磁芯、壓力輪和導(dǎo)向槽等部件組成的，負(fù)責(zé)探測(cè)磁卡表面上的微小磁場(chǎng)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

信號(hào)處理電路會(huì)對(duì)磁頭讀取到的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的譯碼、解密等處理后，才能被計(jì)算機(jī)等設(shè)備識(shí)別。，讀卡器應(yīng)用于銀行卡、身份證、門(mén)禁卡、會(huì)員卡等許多領(lǐng)域。

電磁爐

電磁爐是一種利用電磁感應(yīng)原理使導(dǎo)體產(chǎn)生熱量來(lái)加熱物體的電器產(chǎn)品。其工作原理與感應(yīng)加熱類(lèi)似，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，使盤(pán)面上的導(dǎo)體發(fā)生熱量，從而達(dá)到加熱的效果。

電磁爐主要由盤(pán)面、線(xiàn)圈、電源等組成。盤(pán)面是由鐵、不銹鋼等導(dǎo)體材料制成的，線(xiàn)圈則圍繞在盤(pán)面下方，其內(nèi)部接通的電源會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

當(dāng)電磁爐開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)電源供電，線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。因?yàn)楸P(pán)面是一個(gè)良好的導(dǎo)體，它接收到了線(xiàn)圈中的電磁場(chǎng)并產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在盤(pán)面中形成了環(huán)狀電流，并根據(jù)焦耳熱原理使盤(pán)面上的導(dǎo)體產(chǎn)生加熱。盤(pán)面上需要加熱的物體與導(dǎo)體間的熱量轉(zhuǎn)移則取決于盤(pán)面表面溫度、導(dǎo)熱性以及間接接觸的物體本身等因素。

磁懸浮列車(chē)

磁懸浮列車(chē)?yán)媒涣麟姰a(chǎn)生的磁場(chǎng)和列車(chē)上的超導(dǎo)磁體之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮和運(yùn)行，是一種高速、節(jié)能、環(huán)保的交通工具。

磁懸浮列車(chē)是一種非常先進(jìn)的高速列車(chē)，磁懸浮列車(chē)的主要構(gòu)成部分包括磁懸浮裝置、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和車(chē)輛結(jié)構(gòu)等，其運(yùn)行原理是基于電磁感應(yīng)和超導(dǎo)材料的特性設(shè)計(jì)而成的。通過(guò)利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的力和超導(dǎo)材料的磁場(chǎng)特性來(lái)讓列車(chē)懸浮運(yùn)行，從而消除了傳統(tǒng)軌道列車(chē)與軌道之間的接觸，達(dá)到了最小化空氣阻力的目的，帶來(lái)高速、高效、節(jié)能、安全、舒適的出行體驗(yàn)。

未來(lái)展望

未來(lái)電磁感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)主要集中在五個(gè)方面。

高效率：隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)電磁感應(yīng)技術(shù)將更加高效，可以將能量在傳輸過(guò)程中的損失降至最低。
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)：電磁感應(yīng)可用于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，在家電，數(shù)碼等領(lǐng)域?qū)?huì)取代有線(xiàn)充電，得到很好的運(yùn)用。
磁浮技術(shù)：電磁感應(yīng)技術(shù)也可用于磁浮技術(shù)，在城市交通、高速鐵路等領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛應(yīng)用。
新能源汽車(chē)充電技術(shù)：電磁感應(yīng)也可用于電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)，特別是道路鋪設(shè)感應(yīng)線(xiàn)圈進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，目前已經(jīng)在部分國(guó)家的部分道路進(jìn)行測(cè)試，未來(lái)可能會(huì)在全球范圍內(nèi)得到廣泛展開(kāi)。
直線(xiàn)電機(jī)：電磁感應(yīng)技術(shù)也為直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)展提供了有利條件，該技術(shù)可以在醫(yī)療設(shè)備、機(jī)械制造等領(lǐng)域使用。

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