電磁感應(yīng)的研究與應(yīng)用

周凱

一、電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后，許多物理學(xué)家便試圖尋找它的逆效應(yīng)，提出了磁能否產(chǎn)生電以及磁能否對(duì)電產(chǎn)生作用的問題。1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測(cè)量地磁強(qiáng)度時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)金屬對(duì)附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象做了銅盤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的銅盤會(huì)帶動(dòng)上方自由懸掛的磁針旋轉(zhuǎn)，但磁針的旋轉(zhuǎn)與銅盤不同步，稍滯后。電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)是最早發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但由于沒有直接表現(xiàn)為感應(yīng)電流，當(dāng)時(shí)未能予以說明。

1831年8月，M.法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個(gè)線圈，其一為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn);切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。法拉第立即意識(shí)到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應(yīng)。緊接著他做了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的恒定電流，運(yùn)動(dòng)的磁鐵，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，并把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。進(jìn)而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比，他由此認(rèn)識(shí)到，感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依然存在。后來，給出了確定感應(yīng)電流方向的楞次定律以及描述電磁感應(yīng)定量規(guī)律的法拉第電磁感應(yīng)定律。并按產(chǎn)生原因的不同，把感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)兩種。

二、電磁感應(yīng)的現(xiàn)象

電磁感應(yīng)（Electromagnetic induction）又稱磁電感應(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。

其實(shí)在我們經(jīng)歷的高考中，遠(yuǎn)距離輸電不正是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的典型應(yīng)用嗎？考慮實(shí)際利用率，我們往往采用高壓輸電，輸電功率達(dá)到額定后，電流減小，但問題來了：我們生活用電是220V電壓，高壓不能直接利用。由此而來，變壓器便應(yīng)孕而生。發(fā)電廠產(chǎn)生周期性的交變電壓由變壓器先升高電壓，經(jīng)過遠(yuǎn)距離電線到達(dá)目的地，再由變壓器降低電壓輸送到千家萬戶。一個(gè)簡(jiǎn)單的單相變壓器是由兩個(gè)導(dǎo)電體組成的（不相接）。當(dāng)其中一個(gè)導(dǎo)電體有變化的電流通過，便產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)電磁互感原理，便在第二個(gè)導(dǎo)電體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若有完整的閉合回路，就產(chǎn)生了感應(yīng)電流。

三、電磁感應(yīng)的應(yīng)用

1.電磁爐

物理理論應(yīng)用于生活實(shí)際的例子比比皆是，家用電磁爐正是互感現(xiàn)象的典型應(yīng)用。電磁爐又名電磁灶，是現(xiàn)代廚房革命的產(chǎn)物，它無需明火或傳導(dǎo)式加熱而讓熱直接在鍋底產(chǎn)生，因此熱效率得到了極大的提高。是一種高效節(jié)能櫥具，完全區(qū)別于傳統(tǒng)所有的有火或無火傳導(dǎo)加熱廚具。電磁爐是利用電磁感應(yīng)加熱原理制成的電氣烹飪器具。由高頻感應(yīng)加熱線圈（即勵(lì)磁線圈）、高頻電力轉(zhuǎn)換裝置、控制器及鐵磁材料鍋底炊具等部分組成。使用時(shí)，加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產(chǎn)生大量渦流，從而產(chǎn)生烹飪所需的熱。在加熱過程中沒有明火，因此安全、衛(wèi)生。我在此也做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)——能讓小燈泡發(fā)光的電磁爐。我所準(zhǔn)備的東西有電磁爐、線圈、燈泡、濕毛巾、錫紙。讓濕毛巾包裹住錫紙并放在電磁爐上，線圈與小燈泡相連，然后將線圈放置在濕毛巾上。接通電磁爐開關(guān)，觀察到小燈泡發(fā)光了。電磁互感原理再次得到驗(yàn)證。

2.電磁感應(yīng)燈

近來家里裝修，閑逛燈具市場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新的電燈——無極燈。通過銷售人員的展示，我們被可以變化的柔感燈光吸引了，由于好奇我回家上網(wǎng)又查了一下：無極燈又名電磁感應(yīng)燈，它沒有電極，依靠電磁感應(yīng)和氣體放電的基本原理而發(fā)光。基于上述原理，氣體通過磁場(chǎng)放電而產(chǎn)生了可見光。即由電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的頻率為230KHz，金屬線圈磁環(huán)組成的電磁變壓器在玻璃管（含有特殊工作氣體）周圍創(chuàng)造了磁場(chǎng)。由線圈引起的放電路徑形成一個(gè)閉路，從而引起自由電子的加速度。這些自由電子和汞原子相碰撞而激發(fā)了電子.因?yàn)榧せ畹碾娮訌母吣軕B(tài)退到低能態(tài)，他們放射出紫外線，當(dāng)通過玻璃管表面的三基色熒光粉時(shí)，產(chǎn)生的紫外線轉(zhuǎn)化成可見光。

同時(shí)，電磁感應(yīng)燈的暖白光比黃色的鈉燈更合適應(yīng)用于道路照明.因?yàn)榕坠饨咏陉柟獾谋憩F(xiàn)效果，所以能給路人以溫暖的心里感受，同時(shí)有著更好的可視性，人們易于在暖白光下辨別道路和周邊環(huán)境顏色的特點(diǎn)，保證道路行駛的安全性和舒適性。

3.磁懸浮音響

提起磁懸浮，相信大多數(shù)人最先想到會(huì)是磁懸浮列車。事實(shí)上，除了交通運(yùn)輸領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)方面得到應(yīng)用。生活中常見的臺(tái)燈、洗衣機(jī)、電磁爐、鼠標(biāo)、展示架、地球儀等都已經(jīng)出了它的“磁懸浮”版。每一次出場(chǎng)，這項(xiàng)技術(shù)都能給原本稀松平常的產(chǎn)品帶來驚艷科幻效果。隨著智能家庭化的普及，AI助手，智能音箱已進(jìn)入我們的家庭，而磁懸浮音箱更是科技感十足。金屬球的懸浮的是利用高頻電磁場(chǎng)在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實(shí)現(xiàn)的。將一個(gè)金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時(shí)，高頻電磁場(chǎng)會(huì)在金屬材料表面產(chǎn)生一高頻渦流，這一高頻渦流與外磁場(chǎng)相互作用，使金屬樣品受到一個(gè)洛淪茲力的作用。這個(gè)力與金屬球的重力相互抵消，使其可以在空中保持一種平衡狀態(tài)。

四、電磁感應(yīng)的前景

立足當(dāng)下，面對(duì)未來，科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的結(jié)合，就誕生了智能一體化生產(chǎn);科學(xué)技術(shù)和農(nóng)業(yè)的結(jié)合，就產(chǎn)生了數(shù)字化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技;科學(xué)技術(shù)和金融業(yè)的結(jié)合，使得網(wǎng)上銀行等新興金融機(jī)構(gòu)誕生了?？茖W(xué)技術(shù)會(huì)通過更加多元碎片的形式融入到我們的生活中，比如：當(dāng)下的疫情發(fā)展，科學(xué)技術(shù)憑借自己得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)影響及改革著教育方面。在智能化方面上，智能上網(wǎng)，語音交流在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中得到更好的體現(xiàn)。相信今后的科學(xué)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭更加迅猛，相信以后的智能機(jī)器人走入我們千家萬戶，相信我們的生活更加美好。