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电磁感应

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  • 发布时间:2013/9/2 18:58:11
  • 作者:银河电气

电磁感应的定义

  电磁感应(Electromagnetic induction)现象是指放在变化磁通量中的导体,会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流(感生电流)。

电磁感应的简介

  电磁感应是指因为磁通量变化产生感应电动势的现象。电磁感应现象的发现,是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系,而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础,为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路,在实用上有重大意义。电磁感应现象的发现,标志着一场重大的工业和技术革命的到来。事实证明,电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。

电磁感应的基本概念

01磁通量

  设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面,磁场的磁感应强度为B,平面的面积为S。

  定义:在匀强磁场中,磁感应强B与垂直磁场方向的面积S的乘积,叫做穿过这个面的磁通量

  公式:Φ=BS

  当平面与磁场方向不垂直时:

  Φ=BS⊥=BSsinθ(θ为两个平面的二面角)

02物理意义

  穿过某个面的磁感线条数表示穿过这个面的磁通量。

  单位:在国际单位制中,磁通量的单位是韦伯,简称韦,符号是Wb。

  1Wb=1T·1m2=1V·s。

03电磁感应现象

  电磁感应现象:闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动,电路中产生感应电流。

  感应电流:在电磁感应现象中产生的电流。

  产生电磁感应现象的条件:

  两种不同表述

  a.闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动

  b.穿过闭合电路的磁场发生变化

  两种表述的比较和统一

  a.两种情况产生感应电流的根本原因不同

  闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动时,是导体中的自由电子随导体一起运动,受到的洛伦兹力的一个分力使自由电子发生定向移动形成电流,这种情况产生的电流有时称为动生电流。

  穿过闭合电路的磁场发生变化时,根据电磁场理论,变化的磁场周围产生电场,电场使导体中的自由电子定向移动形成电流,这种情况产生的电流称为感应电流或感生电流。

  b.两种表述的统一

  两种表述可统一为穿过闭合电路的磁通量发生变化。

  产生电磁感应现象的条件

  不论用什么方法,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有电流产生。

  条件:a.闭合电路;b.一部分导体 ; c.做切割磁感线运动

  能量的转化

  能的转化守恒定律是自然界普遍规律,同样也适用于电磁感应现象。

  感应电动势

  定义:在电磁感应现象中产生的电动势,叫做感应电动势。方向是由低电势指向高电势。

  产生感应电动势的条件:穿过回路的磁通量发生变化。

  物理意义:感应电动势是反映电磁感应现象本质的物理量。

  方向规定:内电路中的感应电流方向,为感应电动势方向。

  反电动势:在电动机转动时,线圈中也会产生感应电动势,这个感应电动势总要削弱电源电动势的作用,这个电动势称为反电动势。

电磁感应的科技应用

01动圈式话筒

  在剧场里,为了使观众能听清演员的声音,常常需要把声音放大,放大声音的装置主要包括话筒,扩音器和扬声器三部分。话筒是把声音转变为电信号的装置。当声波使金属膜片振动时,连接在膜片上的线圈(叫做音圈)随着一起振动,音圈在永久磁铁的磁场里振动,其中就产生感应电流(电信号),感应电流的大小和方向都变化,变化的振幅和频率由声波决定,这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器,从扬声器中就发出放大的声音。

02磁带录音机

  磁带录音机主要由机内话筒、磁带、录放磁头、放大电路、扬声器、传动机构等部分组成,录音时,声音使话筒中产生随声音而变化的感应电流——音频电流,音频电流经放大电路放大后,进入录音磁头的线圈中,在磁头的缝隙处产生随音频电流变化的磁场。磁带紧贴着磁头缝隙移动,磁带上的磁粉层被磁化,在磁带上就记录下声音的磁信号。

  放音是录音的逆过程,放音时,磁带紧贴着放音磁头的缝隙通过,磁带上变化的磁场使放音磁头线圈中产生感应电流,感应电流的变化跟记录下的磁信号相同,所以线圈中产生的是音频电流,这个电流经放大电路放大后,送到扬声器,扬声器把音频电流还原成声音。

  在录音机里,录、放两种功能是合用一个磁头完成的,录音时磁头与话筒相连;放音时磁头与扬声器相连。

03汽车车速表

  汽车驾驶室内的车速表是指示汽车行驶速度的仪表。它是利用电磁感应原理,使表盘上指针的摆角与汽车的行驶速度成正比。车速表主要由驱动轴、磁铁、速度盘,弹簧游丝、指针轴、指针组成。其中永久磁铁与驱动轴相连。在表壳上装有刻度为公里/小时的表盘。

  一部分磁感线将通过速度盘,磁感线在速度盘上的分布是不均匀的,越接近磁极的地方磁感线数目越多。当驱动轴带动永久磁铁转动时,则通过速度盘上各部分的磁感线将依次变化,顺着磁铁转动的前方,磁感线的数目逐渐增加,而后方则逐渐减少。由法拉第电磁感应原理知道,通过导体的磁感线数目发生变化时,在导体内部会产生感应电流。又由楞次定律知道,感应电流也要产生磁场,其磁感线的方向是阻碍(非阻止)原来磁场的变化。用楞次定律判断出,顺着磁铁转动的前方,感应电流产生的磁感线与磁铁产生的磁感线方向相反,因此它们之间互相排斥;反之后方感应电流产生的磁感线方向与磁铁产生的磁感线方向相同,因此它们之间相互吸引。由于这种吸引作用,速度盘被磁铁带着转动,同时轴及指针也随之一起转动。

  为了使指针能根据不同车速停留在不同位置上,在指针轴上装有弹簧游丝,游丝的另一端固定在铁壳的架上。当速度盘转过一定角度时,游丝被扭转产生相反的力矩,当它与永久磁铁带动速度盘的力矩相等时,则速度盘停留在那个位置而处于平衡状态。这时,指针轴上的指针便指示出相应的车速数值。

  永久磁铁转动的速度和汽车行驶速度成正比。当汽车行驶速度增大时,在速度盘中感应的电流及相应的带动速度盘转动的力矩将按比例地增加,使指针转过更大的角度,因此车速不同指针指出的车速值也相应不同。当汽车停止行驶时,磁铁停转,弹簧游丝使指针轴复位,从而使指针指在“0”处。

04电动机

  发电机可以“反过来”运作,成为电动机。例如,用法拉第碟片这例子,设一直流电流由电压驱动,通过导电轴臂。然后由洛伦兹力定律可知,行进中的电荷受到磁场B的力,而这股力会按佛来明左手定则订下的方向来转动碟片。在没有不可逆效应(如摩擦或焦耳热)的情况下,碟片的转动速率必需使得dΦB/dt等于驱动电流的电压。

05变压器

  法拉第定律所预测的电动势,同时也是变压器的运作原理。当线圈中的电流转变时,转变中的电流生成一转变中的磁场。在磁场作用范围中的第二条电线,会感受到磁场的转变,于是自身的耦合磁通量也会转变(dΦB/dt)。因此,第二个线圈内会有电动势,这电动势被称为感应电动势或变压器电动势。如果线圈的两端是连接着一个电负载的话,电流就会流动。


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