電磁感應(yīng)定律的運用分析

廖向原

摘 要：磁通量在變化時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢現(xiàn)象，在閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場作切割磁感線運動時，導(dǎo)體會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象被稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。因此電磁感應(yīng)的準(zhǔn)確定義為：因磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。從物理學(xué)史認(rèn)識電磁感應(yīng)定律，包括借助直覺思維實現(xiàn)突破、抓住本質(zhì)建立定律以及利用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行抽象表達(dá)三個方面。目前，電磁感應(yīng)定律已經(jīng)在多個領(lǐng)域得以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)定律；物理學(xué)史；運用

電磁感應(yīng)定律是物理學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容，它展示了電和磁之間的聯(lián)系。當(dāng)大學(xué)生在學(xué)習(xí)物理電磁理論時，由于中學(xué)的重要基礎(chǔ)，因此會比較熟悉教材中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律。這樣一來，學(xué)生在上課過程中就有可能輕視電磁感應(yīng)的相關(guān)問題，而一旦涉及應(yīng)用，學(xué)生往往又會感覺到力不從心。這說明，學(xué)生對電磁感應(yīng)定律的內(nèi)涵理解還不夠深刻和透徹。因此，加強對電磁感應(yīng)定律的運用是本次研究的重點。

一、從物理學(xué)史認(rèn)識電磁感應(yīng)定律

1.借助直覺思維，實現(xiàn)新突破

電流磁效應(yīng)于1820年被丹麥物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)充分展現(xiàn)了電和磁之間的關(guān)系，突破了長久以來對電和磁在認(rèn)識上的局限性，這一巨大的科學(xué)浪潮證明了電和磁是密切相關(guān)的。在直覺思維的推動下，科學(xué)家認(rèn)為因為電可以生成磁，所以磁也是可以生成電的。19世紀(jì)20年代，法拉第仔細(xì)觀察了磁鐵之間存在的相互作用問題，以及電流之間產(chǎn)生作用等一系列的電磁現(xiàn)象，在經(jīng)過嚴(yán)格的分析和比對之后，法拉第猜測，磁鐵能夠使影響范圍內(nèi)的鐵感應(yīng)具有磁性，而電荷可以讓近處的導(dǎo)體在感應(yīng)上帶有電荷，所以電流也是同理，一樣可以讓附近的線圈因受到磁感應(yīng)而產(chǎn)生電流。之后，法拉第對電和磁之間的關(guān)系問題展開了持久的探索工作，并于1825年將導(dǎo)線的回路放置在另一通以強電流的回路附近，他希望通過這樣的布置能夠使導(dǎo)線回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，但這次的試驗以失敗告終。到19世紀(jì)末，法拉第再次設(shè)計出專門的裝置，讓導(dǎo)線的回路和磁鐵不在同一位置上，但結(jié)果仍然不理想。這段時期，不僅法拉第，其他物理學(xué)家也在進(jìn)行相應(yīng)的嘗試，但均以失敗告終。

雖然經(jīng)歷了大量的失敗，但在一次次的失敗中，法拉第已經(jīng)通過直覺和經(jīng)驗感覺到磁能夠生成電，因此他更加堅信這一理念，至19世紀(jì)30年代，法拉第再次進(jìn)行了實驗。他通過鐵環(huán)和線圈驗證了自己觀點的正確性。在繼續(xù)試驗的過程中，法拉第也逐漸意識到，如果保持通電，磁針就不會有反應(yīng)。通過長期的研究觀察，法拉第更加堅信自己的理論，并突然意識到，電磁感應(yīng)是一種在變化和運動過程中出現(xiàn)的非恒定暫態(tài)效應(yīng)。在接下來的探索和試驗中，法拉第終于向世人揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。從這一點上來看，借助直覺思維并不斷進(jìn)行試驗，就能夠有效突破傳統(tǒng)觀念的束縛，雖然未必能夠?qū)崿F(xiàn)自己的目標(biāo)，但可能因此產(chǎn)生新的收獲。

2.抓住本質(zhì)形象，建立電磁感應(yīng)定律

法拉第在發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)規(guī)律之后，又緊接著進(jìn)行了多項此類試驗，并總結(jié)規(guī)律，將產(chǎn)生感應(yīng)電流的實驗情形歸納為運動恒定電流、變化電流、運動磁鐵、變化磁場以及在磁場中運動的導(dǎo)體五類。19世紀(jì)30年代初，法拉第認(rèn)識到，在同樣的條件之下，不同金屬導(dǎo)體中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流和導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比，這說明感應(yīng)電勢會在一定條件下形成，而感應(yīng)電流則是因和導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電勢產(chǎn)生的，因此產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因就是感應(yīng)電勢。

上述的五種情況都可以產(chǎn)生感應(yīng)電勢，閉合導(dǎo)體中的自由電荷也就因此定向移動。法拉第認(rèn)為，感應(yīng)電勢產(chǎn)生的原因主要是由于磁鐵及電流會產(chǎn)生張力，使物質(zhì)處于張力狀態(tài)下，這樣的狀態(tài)從出現(xiàn)到消失，整個過程都會產(chǎn)生電勢。為了直觀地描述這樣的狀態(tài)，法拉第以其豐富的想象力將力線創(chuàng)造性地引入概念以解釋電緊張的狀態(tài)。法拉第力線是由于物質(zhì)產(chǎn)生的，它會充滿整個空間，而兩個磁極的相互作用也是通過力線進(jìn)行傳遞。力線的源頭不變，力線的分布就不會改變。等到通過導(dǎo)體回路的磁力線發(fā)生數(shù)量上的變化時，感應(yīng)電動勢就會在回路中產(chǎn)生，感應(yīng)電流也就因此形成。

二、電磁感應(yīng)定律的表述

電磁學(xué)的重要規(guī)律就包括電磁感應(yīng)定律，它主要有兩種表達(dá)方式，第一種可以表述為：

①ε=-d/dt

這是電磁感應(yīng)在宏觀上的表現(xiàn)形式。在進(jìn)一步分析電磁通量變化的原因后，可以得到第二種表述：

②ε=L（v×b）*dl-*ds

這兩種表述是否等價，目前不好下定論，很多文獻(xiàn)均處于探討階段。

三、電磁感應(yīng)定律的運用

根據(jù)公式②可以看出，它在揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，是通過微觀機理出發(fā)揭示的，不僅將電磁感應(yīng)的微觀本質(zhì)展現(xiàn)出來，并且也更有利于日后對電磁感應(yīng)理論的應(yīng)用。根據(jù)公式②，不僅能夠?qū)Ψ情]合的導(dǎo)體進(jìn)行方便的計算，計算其在進(jìn)行切割磁感線運動時所產(chǎn)生的電勢；也方便了對凈值閉合導(dǎo)體的相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，計算出其在磁場的變化狀態(tài)中自身產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。

在論證公式①時，根據(jù)當(dāng)前的教材可知：在對ε的正負(fù)值進(jìn)行討論之前，應(yīng)統(tǒng)一回路的繞向，以其邊界的曲面矢量n為統(tǒng)一的右手螺旋定理。以下四種情況如圖1所示，統(tǒng)一規(guī)定繞向，以右手為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)φ>0并且φ增加時，d/dt>0，因此ε<0，方向不同于回路繞向；當(dāng)φ<0并且增加絕對值時，d/dt<0，因此ε>0，方向和回路繞向一致。

雖然按照這樣的方式判斷電勢是準(zhǔn)確的，但還不夠簡潔，因此就建議采用如圖2的方法進(jìn)行分析，具體如下：規(guī)定n的方向和φ的方向一致，得到φ>0，d/dt的正負(fù)也就很好判定，簡化了分析判斷的過程，并且不易出錯。

四、結(jié)語

物理是一門重視實踐的課程，因此通過實踐運用的方式學(xué)習(xí)物理學(xué)中電磁感應(yīng)定律也是非常有效的。通過物理學(xué)史，學(xué)生們首先認(rèn)識電磁感應(yīng)定律的基本含義和原理，再通過改變課程實驗設(shè)計的方式簡化判斷，在充分運用電磁感應(yīng)定律的同時，也簡化了分析研究的步驟。

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（作者單位：廣西貴港市高級中學(xué)）