電磁感應的本質可以追溯到麥克斯韋電磁場理論:變化的磁場在周圍空間產生壹個電場,當導體處於這個電場中時,導體中的自由電子在電場力的作用下定向運動產生電流,即感應電流;如果不是閉合回路,導體中自由電子的定向運動造成斷開點兩端正負電荷的積累,產生電位差感應電動勢。
電磁感應的概念
電磁感應是指導體置於變化的磁通量中會產生電動勢的現象。這個電動勢叫做感應電動勢或感應電動勢。如果這個導體閉合成回路,這個電動勢就會驅動電子流動,形成感應電流(感應電流)。邁克爾·法拉第壹般被認為是1831年發現電磁感應的人,雖然弗朗切斯科·贊特代斯基1829的工作可能已經預見到了這壹點。
電磁感應是指由於磁通量的變化而產生感應電動勢的現象。電磁感應的發現是電磁學領域最偉大的成就之壹。不僅揭示了電與磁的內在聯系,而且為電與磁的相互轉化奠定了實驗基礎,為人類獲得巨大而廉價的電能開辟了道路,具有重要的現實意義。電磁感應的發現標誌著壹場重大工業和技術革命的到來。事實證明,電磁感應在電工、電子技術、電氣化和自動化中的廣泛應用,對社會生產力和科學技術的發展起到了重要的推動作用。
如果閉合電路是壹個n匝的線圈,可以表示為:其中n是線圈的匝數,δφ是磁通量的變化,單位Wb(韋伯),δt是變化所用的時間,單位s.ε是產生的感應電動勢,單位V(伏特)。電磁感應,俗稱磁發電,常用於發電機。
電磁感應知識
首先是電磁感應定律。電磁感應研究的是其他形式的電磁感應可以轉化為電能的特性,其核心是法拉第電磁感應定律和楞次定律。
楞次定律指出,感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。也就是說,為了獲得感應電流(電能),必須克服感應電流產生的安培力做功,需要對外做功,將其他形式的能量轉化為電能。法拉第電磁感應定律反映了外界做功的能力。磁通變化率越大,感應電動勢越大,外界做功的能力越大。
第二是電路和力學知識。本文主要討論電能在電路中傳輸和分配的特點和規律,以及利用電器將其轉化為其他形式的能量。在實際應用中,經常用到電路三定律(歐姆定律、電阻定律、焦耳定律)和力學中的牛頓定律、動量定理、動量守恒定律、動能定理、能量守恒定律等概念。
第三是右手法則。右手平放,使拇指與其他四指垂直,且都與手掌在同壹平面。把妳的右手放在磁場中。如果磁力線垂直進入手掌(當磁感應線為直線時,表示手掌面向N極),拇指指向導線運動的方向,那麽四指指向的方向就是導線中感應電流的方向。
在電磁學中,右手定則主要判斷與力無關的方向。為了便於記憶和與左手定則相區別,可以記為:左力右電(即左手定則決定判斷方向,右手定則決定電流方向)。或者左力右,左力右。
電磁感應的應用
動圈式傳聲器
在劇場裏,為了讓觀眾聽清楚演員的聲音,往往需要把聲音放大。放大聲音的電磁感應裝置主要包括三個部分:麥克風、揚聲器和喇叭。麥克風是壹種將聲音轉換成電信號的裝置。圖2是通過電磁感應制成的動圈式麥克風的結構示意圖。當聲波振動金屬振膜時,連接在振膜上的線圈(稱為音圈)壹起振動,音圈在永磁體的磁場中振動,其中產生感應電流(電信號),感應電流的大小和方向發生變化,變化的幅度和頻率由聲波決定。該信號電流被揚聲器放大並傳輸到揚聲器,從揚聲器發出放大的聲音。
磁帶錄音機
磁帶錄音機主要由內置麥克風、磁帶、錄放磁頭、放大電路、揚聲器、傳動機構等組成。這是錄音機錄音和放音原理的示意圖。錄音時,聲音使麥克風產生感應電流——隨聲音變化的音頻電流。音頻電流經放大電路放大後進入錄音頭的線圈,在磁頭的縫隙處產生隨音頻電流變化的磁場。磁帶靠近磁頭的縫隙移動,磁帶上的磁粉層被磁化,聲音的磁信號被記錄在磁帶上。
回放是錄制的反向過程。在回放期間,磁帶靠近回放磁頭的間隙通過,磁帶上變化的磁場在回放磁頭的線圈中產生感應電流。感應電流的變化與記錄的磁信號相同,因此線圈產生音頻電流,通過放大電路放大後送到揚聲器,揚聲器將音頻電流還原為聲音。
在錄音機中,錄音和放音兩種功能是通過共用壹個磁頭來完成的,錄音時磁頭與麥克風相連;播放時,磁頭與揚聲器相連。
汽車速度表
汽車駕駛室內的速度計是指示汽車行駛速度的儀器。它利用電磁感應原理,使電磁感應表盤上指針的擺動角度與汽車的行駛速度成正比。車速表主要由傳動軸、磁鐵、車速表、彈簧遊絲、指針軸和指針組成。其中永磁體與驅動軸連接。表殼上裝有壹個刻度為千米/小時的表盤。
永久磁鐵的磁感應線方向如圖1所示。部分磁感應線會穿過速盤,速盤上的磁感應線分布不均勻。越靠近磁極,磁感應線越多。當驅動軸帶動永磁體旋轉時,穿過速盤各部分的磁感應線會依次發生變化,磁感應線的數量會沿著磁體旋轉的前方逐漸增加,而在後方逐漸減少。根據法拉第電磁感應原理,當穿過導體的磁感應線數量發生變化時,導體內部就會產生感應電流。由楞次定律還可知,感應電流也產生磁場,其磁感應線的方向是阻礙(不是阻止)原有磁場的變化。根據楞次定律判斷,沿著磁鐵旋轉的前沿,感應電流產生的磁感應線與磁鐵產生的磁感應線方向相反,所以兩者相互排斥。反之,後方感應電流產生的磁感應線方向與磁鐵產生的磁感應線方向相同,所以相互吸引。由於這種吸引力,快速撥號是由磁鐵旋轉,軸和指針也壹起旋轉。
為了使指針根據不同的車速停留在不同的位置,指針軸上裝有彈簧遊絲,遊絲的另壹端固定在鐵殼的框架上。當速度計旋轉到壹定角度時,遊絲被扭轉產生相反的扭矩。當它等於永磁體驅動的扭矩時,車速表停留在那個位置,處於平衡狀態。此時指針軸上的指針指示對應的速度值。
永磁體的轉速與汽車的行駛速度成正比。當車速增加時,在速盤內感應出的電流和相應的驅動速盤轉動的扭矩會成比例增加,使指針轉動較大的角度,因此指針指示的速度值隨車速不同而不同。當汽車停止運行時,磁鐵停止轉動,彈簧遊絲復位指針軸,使指針處於“0”。