討論電磁感應(yīng)

吳 宏

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一,揭示了電與磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的重要方面。它的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)上和技術(shù)上都具有劃時(shí)代的意義。它不僅豐富了人類(lèi)對(duì)于電磁現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí),推動(dòng)了電磁學(xué)理論的發(fā)展,而且在實(shí)踐上開(kāi)拓了廣泛應(yīng)用的前途。在電工技術(shù)中,運(yùn)用電磁感應(yīng)原理制造的發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器等電器設(shè)備為充分而方便地利用自然界的能源提供了條件,在電子技術(shù)中,廣泛地采用電感元件來(lái)控制電壓或電流的分配、發(fā)射、接收和傳輸電磁信號(hào);在電磁測(cè)量中,除了許多重要電磁量的測(cè)量直接應(yīng)用電磁感應(yīng)原理外,一些非電磁量也可用之轉(zhuǎn)換成電磁量來(lái)測(cè)量,從而發(fā)展了多種自動(dòng)化儀表。

電磁感應(yīng)定律

1820年,奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次提示了電流能夠產(chǎn)生磁,從而開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)不少物理學(xué)家想到:既然電能產(chǎn)生磁,磁是否也能產(chǎn)生電?然而他們或者是因?yàn)楣淌刂€(wěn)恒的磁能產(chǎn)生電的成見(jiàn),或者是因?yàn)楣ぷ鞑粔蚣?xì)致,實(shí)驗(yàn)都失敗了。法拉第開(kāi)始也是這樣想的,實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功。但他善于抓住新事物的苗頭,堅(jiān)信磁能夠產(chǎn)生電,并以他精湛的實(shí)驗(yàn)技巧和敏銳地捕捉現(xiàn)象的能力,經(jīng)過(guò)十年不懈的努力,終于在1831年8月29日第一次觀察到電流變化時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)現(xiàn)象。緊接著,他做了一系列實(shí)驗(yàn),用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和決定感應(yīng)電流的因素,揭示了感應(yīng)現(xiàn)象的奧秘。雖然他沒(méi)有用數(shù)學(xué)公式將他的研究成果表達(dá)出來(lái)(電磁感應(yīng)的數(shù)學(xué)公式是1845年諾埃曼給出的),但他對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的豐富研究,這一發(fā)現(xiàn)的榮譽(yù)歸功于他是當(dāng)之無(wú)愧的。

法拉第是一個(gè)非常善于深入思考的人,他對(duì)電學(xué)的研究有著多方面的貢獻(xiàn),但他并不局限于就事論事研究,而是根據(jù)自己的研究深入挖掘現(xiàn)象背后的本質(zhì),從而形成了他特有的場(chǎng)的觀念,向當(dāng)時(shí)居統(tǒng)治地位的“超距作用”觀念發(fā)起了挑戰(zhàn),并最終為電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一理論準(zhǔn)備了條件。他用描述磁極之間和帶電體之間相互作用的“力線”來(lái)表達(dá)他的場(chǎng)觀念。這些力線在空間是一些曲線,而不是聯(lián)接磁極和聯(lián)接帶電體的直線,因此,他指出磁的或電的相互作用就不會(huì)是超距作用觀點(diǎn)所想象的那種直接作用。他研究了在帶電體之間插入電介質(zhì)對(duì)帶電體之間電力強(qiáng)度的影響,認(rèn)為這種影響表明電力的作用不可能是超越空間的直接作用;同樣的效應(yīng)在磁現(xiàn)象中也發(fā)生。他根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象指出,僅有導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)不足以產(chǎn)生電流,磁鐵周?chē)囟ù嬖谀撤N“狀態(tài)”,導(dǎo)線就是在其區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)才產(chǎn)生感應(yīng)電流。此外,他對(duì)磁光效應(yīng)(偏振光振動(dòng)面的磁致旋轉(zhuǎn))的研究,使他相信光和電磁現(xiàn)象有某種聯(lián)系。他甚至猜測(cè)磁效應(yīng)的傳播速度可能與光的傳播速度有相同的量級(jí)。這些思想構(gòu)成了他的場(chǎng)觀念的基礎(chǔ)。

雖然法拉第的場(chǎng)觀念帶有機(jī)械論的性質(zhì),某些具體的觀點(diǎn)也有不適之處。但是,他的新穎的場(chǎng)觀念強(qiáng)烈地吸引青年的麥克斯韋致力于將法拉第的觀念寫(xiě)成便于數(shù)學(xué)處理的形式,終于導(dǎo)致麥克斯韋方程組的建立。

電磁感應(yīng)的表述及楞次定律如下:

一、閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng),產(chǎn)生的電流叫做感生電流。如果導(dǎo)體不閉合,導(dǎo)體在做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)時(shí),只會(huì)產(chǎn)生感生電壓。

二、1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象:穿過(guò)某一回路的磁通量發(fā)生變化時(shí),在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

引起磁通量變化的兩種基本方法:(1)閉合回路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)。(2)回路內(nèi)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化,簡(jiǎn)稱(chēng)“回路φ變?！?/p>

2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向

“一段切割”— 用右手定則判斷。

“回路φ變”— 用楞次定律判斷。

楞次定律:感應(yīng)電流的方向,總是使感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

3.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小

“一段切割”:ε=BLvsinα,式中α為B與v的夾角。

“回路φ變”:用法拉第電磁感應(yīng)定律求解。

法拉第電磁感應(yīng)定律:電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ε=NΔφΔt

式中N為線圈匝數(shù)。此式求電動(dòng)勢(shì)的平均值。

4.自感現(xiàn)象:由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

自感電動(dòng)勢(shì)的大小:ε= LΔI/Δt,式中L為自感系數(shù),單位是亨。

自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻礙線圈中原來(lái)電流的變化。

三、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與回路內(nèi)磁通變化率有關(guān)?？捎霉奖硎救缦?

ε=dφdt

式中dφdt是環(huán)形導(dǎo)體內(nèi)磁通對(duì)時(shí)間的變化率。為了使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向反映到公式里,一般將公式寫(xiě)成

ε= -dφdt

公式中加負(fù)號(hào)的意義如下:我們規(guī)定閉合回路內(nèi)由感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通與穿過(guò)回路的原磁通同方向時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正值,反之為負(fù)值。根據(jù)楞次定律,當(dāng)原來(lái)磁通增加時(shí),這兩個(gè)磁通反方向,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為負(fù)值。但在原磁通增多時(shí),從數(shù)學(xué)上看dφ應(yīng)為正值,所以要在公式中加一個(gè)負(fù)號(hào)。同理也可說(shuō)明在原磁通減少時(shí)的情況。

以上三種表述適用于不同學(xué)段的學(xué)生,由淺入深,由定性到定量,由粗略到精細(xì)?？梢?jiàn),同樣是關(guān)于電磁感應(yīng),在不同的教學(xué)階段,對(duì)學(xué)生的表述卻是不同的。這主要是為了讓學(xué)生能適當(dāng)?shù)乩斫庀嚓P(guān)內(nèi)容,是教學(xué)的需要,也就是因材施教吧。

電磁感應(yīng)的常見(jiàn)應(yīng)用是發(fā)電機(jī)和日光燈中的啟輝器,它為人們的電氣生活作出了貢獻(xiàn)。自感現(xiàn)象在各種電器設(shè)備和無(wú)線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。日光燈的鎮(zhèn)流器就是利用線圈自感現(xiàn)象的一個(gè)例子。