在上一次的學(xué)習(xí)分享中，我們主要學(xué)習(xí)了磁的一些概念和物理量。 在了解什么是磁的前提下，接下來(lái)我們將學(xué)習(xí)一些電與磁相結(jié)合的基礎(chǔ)知識(shí)。
在《電氣工程基礎(chǔ)》課程中，曹老師結(jié)合各種實(shí)例、理論和練習(xí)，詳細(xì)講解了很多關(guān)于電磁感應(yīng)的知識(shí)，旨在讓學(xué)生更好地理解電和磁之間的關(guān)系。
下面我就按照曹老師的思路，和大家一一研究一下。
發(fā)電的形式有很多種，但我們比較熟悉的是摩擦起電和電磁感應(yīng)。 摩擦起電大部分產(chǎn)生的電能是瞬時(shí)的，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電能是現(xiàn)代主流。
1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，使電磁學(xué)的研究從電磁分離躍升至電磁互連的研究階段。 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其定律。 電磁感應(yīng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是電產(chǎn)生磁或磁化電的現(xiàn)象。 靜止電荷周?chē)嬖陟o電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷周?chē)粌H存在電場(chǎng)，還存在磁場(chǎng)。
奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)的相關(guān)性后，法國(guó)物理學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線附近的磁場(chǎng)與電流I的流動(dòng)方向服從右手螺旋定律，又稱安培定律，即保持直線右手接電線，最大拇指指向電流方向，四個(gè)手指彎曲的方向就是磁場(chǎng)方向； 對(duì)于循環(huán)電流，例如通電的螺線管，拇指指向磁場(chǎng)方向，四個(gè)手指彎曲的方向表示電流方向。
圖18-1分別給出了載流導(dǎo)線和載流螺線管的磁場(chǎng)與電流的方向關(guān)系。
圖18-1
從上次的學(xué)習(xí)分享中我們知道，同極相斥，異極相吸。 同樣，根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，兩根載流導(dǎo)線或兩個(gè)通電螺線管之間也會(huì)產(chǎn)生力。 角色。
右手螺旋定則與右手定則不同。 右手定則用于確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，而右手螺旋定則用于確定磁場(chǎng)的方向。 兩者之間有著本質(zhì)的區(qū)別。
結(jié)合我們上次學(xué)的磁學(xué)知識(shí)，從圖18-1還可以發(fā)現(xiàn)，磁感應(yīng)線是閉合曲線，它們不會(huì)相交，因?yàn)榇艌?chǎng)中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是確定的。 如果它們相交，顯然就會(huì)與只有一個(gè)方向的性質(zhì)相矛盾。
通電的螺線管激發(fā)的磁場(chǎng)顯然與條形磁鐵的磁場(chǎng)相似，因此我們很快可以得出結(jié)論，線圈兩端磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，且其方向是從南向線圈內(nèi)部的北極到北極，然后從北極出來(lái)，通過(guò)線圈外部沿著一定的路徑返回南極。
如果你有興趣，也可以自己做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，制作一個(gè)小線圈，然后在它周?chē)乓粋€(gè)小磁針。 通電后觀察磁針旋轉(zhuǎn)方向，如圖18-2所示； 或?qū)⑵淙鲈诰€圈周?chē)?看看鐵粉，觀察鐵粉的分布情況。
圖18-2
事實(shí)上，法國(guó)物理學(xué)家安培還發(fā)現(xiàn)，放置在磁鐵附近的載流導(dǎo)線會(huì)受到力的作用而移動(dòng)。 載流導(dǎo)線之間也存在相互作用力，他得出結(jié)論，兩個(gè)電流之間的力和兩個(gè)磁鐵之間的力遵循類(lèi)似的規(guī)律，如圖18-3所示。
圖18-3
1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其基本定律安培定律表達(dá)式，揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他將檢流計(jì)和線圈連接成一個(gè)回路，并快速插入和取出線圈中的條形磁鐵。 他發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)會(huì)偏轉(zhuǎn)，而且“插入”和“拔出”兩種情況下偏轉(zhuǎn)方向相反，而磁鐵則在線上保持靜止。 圓圈內(nèi)的檢流計(jì)不偏轉(zhuǎn)。
由此可見(jiàn)，感應(yīng)電流的產(chǎn)生與線圈回路中磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化有關(guān)，如圖18-4左側(cè)所示。 如圖18-4右側(cè)所示，將具有正交磁力線的導(dǎo)體框架置于均勻恒定的磁場(chǎng)中。 當(dāng)導(dǎo)體l左右滑動(dòng)時(shí)，連接在回路上的檢流計(jì)也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 此時(shí)，磁鐵和兩個(gè)導(dǎo)體之間的磁性不會(huì)發(fā)生變化，但由于環(huán)路所包圍的面積發(fā)生變化，導(dǎo)致穿過(guò)導(dǎo)體框架的磁通量發(fā)生變化。
綜上所述，表明只要與導(dǎo)線或線圈交鏈的磁通量發(fā)生變化（包括尺寸變化），就會(huì)在導(dǎo)線或線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。 當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與外部電路連接形成閉合回路時(shí)，回路中的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)有電流通過(guò)。 這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。
圖18-4
這種由磁通量變化引起的電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 只有當(dāng)導(dǎo)線或線圈與外電路形成閉合回路時(shí)才存在感應(yīng)電流，而無(wú)論回路是否閉合都存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
顯然，如果導(dǎo)線在切割磁力線的磁場(chǎng)中移動(dòng)，導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)線的長(zhǎng)度l以及導(dǎo)線切割磁力線的速度v有關(guān)。 其大小為E=Blv，如下圖18-5所示。
圖18-5
圖18-5所示公式的前提是，在均勻磁場(chǎng)B中，導(dǎo)體ab沿垂直于B的方向以速度v運(yùn)動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向不垂直于B方向時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=θ，其中θ為磁力線與速度方向的夾角。
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用右手定則來(lái)確定，即伸出右手，使拇指與其他四指垂直，并與手掌在同一平面； 讓磁力線從手掌進(jìn)入，并將拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)的方向。 此時(shí)，四根手指所指的方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。
1845年，德國(guó)物理學(xué)家紐曼根據(jù)法拉第的工作，推導(dǎo)出法拉第電磁感應(yīng)定律的定量表達(dá)式。 可以表示為：當(dāng)與導(dǎo)線回路相交的磁通量發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)線將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與磁通量的變化率成正比通過(guò)回路的φ相對(duì)于時(shí)間dφ/dt，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為e=-Δφ/Δt。 該公式僅適用于單匝線圈組成的回路。
產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的閉環(huán)必然會(huì)流過(guò)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向一致的感應(yīng)電流。 這個(gè)方向可以根據(jù)楞次定律來(lái)判斷，即閉環(huán)中感應(yīng)電流的方向總是引起它產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 通以阻礙閉環(huán)中原有磁通量（引起感應(yīng)電流的磁通量）的變化。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，與增加和減少是一樣的，即如果原磁通量處于增加狀態(tài)，那么感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量與原磁通量方向相反； 如果原始磁通量處于減少狀態(tài)，則感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量也處于減少狀態(tài)。 磁通量與原始磁通量方向相同。
圖18-6
圖18-6根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律給出了各種磁通量變化引起的回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的方向。
比如最左邊的圖中，磁鐵向上運(yùn)動(dòng)，原來(lái)的磁通量向上，在線圈中呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，即此時(shí)磁通量的變化率大于零。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的公式，此時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通與原來(lái)的磁通方向相反，向下。
如上所述，公式e=-Δφ/Δt適用于單匝線圈回路。 如果線圈有N匝，所有磁通量都經(jīng)過(guò)N匝線圈，則與線圈相交的總磁通量為Nφ，稱為磁鏈。 用符號(hào)ψ表示，單位仍為Wb（韋伯）。 此時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e=-ΔNφ/Δt=-NΔφ/Δt。
簡(jiǎn)單理解就是，線圈匝數(shù)增加多少倍安培定律表達(dá)式，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就增加多少倍。 這是因?yàn)橐辉丫€圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e，而N匝線圈則疊加了Ne的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
電磁感應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容比較難，有很多規(guī)則和規(guī)律。 需要大家慢慢探索、慢慢了解。 我的建議是大家全面比較這些法律法規(guī)，思考它們之間的區(qū)別和聯(lián)系，并進(jìn)行總結(jié)。 那么理解電磁感應(yīng)的內(nèi)容就會(huì)比較簡(jiǎn)單了。 （集誠(chéng)培訓(xùn)原創(chuàng)，作者：楊思慧，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載，違者必究！）
