电磁感应的理解与应用

◆陈泓锟

(武汉市育才高中)

电磁感应的理解与应用

◆陈泓锟

(武汉市育才高中)

电磁感应现象是放在变化磁通量中的导体，会产生电动势，一般表现为两种形式，即动生电动势与感生电动势。对这两种电动势从产生机制、能量转换等角度分别进行描述，来理解它们的统一和区别。电磁感应现象在生活中有很多的应用，对常见的几种例子分别进行阐述，对该现象有更具体的理解。

电磁感应 电动势 应用

一、电磁感应现象

不论电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就产生感应电动势，电路已经具备了随时输出电能的能力。如果电路闭合，将会在回路中产生感应电流。这一现象是迈克尔·法拉第于1831年发现的，因此被称之为法拉第电磁感应定律。这是自奥斯特发现了电流产生磁场之后，在电磁学中的另一伟大发现，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基础。

通过大量的实验，法拉第给出了感应电动势的定量表达式1：

(1) 回路或其一部分在磁场中的相对运动所产生的感应电动势，即变,称之为动生电动势；

(2)仅由磁场的变化而产生的感应电动势，即变,称之感生电动势；

1.动生电动势

在洛伦兹力的作用下，自由电子由B向A运动，在导体棒的下端发生积累，于是A端带负电，B端由于失去电子带正电。随着正负电荷在导体棒两端的积累，导体棒内出现了由B指向A端的电场。因此，导体棒内的电子除受到向下的洛伦兹力，还受到向上的电场力的作用，大小为式5：

F=qE，其中q为自由电子，E为感应电势差；

当导体棒两端的电荷积累到一定程度时，自由电子受到的洛伦兹力和电场力达到平衡，导体内的自由电子不再因导体棒的移动而发生宏观移动，导体内电荷分布稳定，导体两端形成恒定的电势差。若导体棒AB两端与固定不动的导线连接构成回路时，回路中便出现感应电流，导体棒AB两端所积累的电荷将减少，原来的平衡被破坏，于是洛伦兹力又使自由电子从B端沿导体内部流向A端，使AB两端的电荷不断得到补充，从而使导体棒两端的电势差保持恒定，维持回路中的电流不断。因此，产生动生电动势实质即非静电力洛伦兹力。

动生电动势的产生是由于外力的作用，驱使导体在磁场内运动，整个过程中洛伦兹力与导体的运动方向垂直，即洛伦兹力不做功。因此，动生电动势能量的变化是外力的机械能转化为电能。

2.感生电动势

导体所围回路面积不变而磁场随时间变化，产生的电动势称之为感生电动势。若一个闭合电路有一个n匝的线圈，则根据式2得，电路中感应电动势可以表述为：

感生电动势时，导体或导体回路不动，而磁场变化。因此产生感生电动势的原因不可能是洛仑兹力。英国物理学家麦克斯韦指出：变化的磁场会在其周围空间激发出一种电场，称为感生电场，其电场线为闭合曲线，所以又称为涡旋电场。产生感生电动势的非静电力是感生电场力(或称为涡旋电场力)。变化的磁场激发产生的感生电场对磁场中电荷的产生力，电荷可以相对于电场静止，它受力只是因为它带电。当变化的磁场中有导体回路时：自由电子受感生电场的作用而产生感生电动势。所以，产生感生电动势的原因为非静电场。

感生电动势的产生没有外力的作用，只是由于磁场的变化导致了磁通量的变化，使导体体中的自由电荷受到电场力，驱动自由电荷的定向移动。因此，感生电动势的能量变化是电磁能转换为电能。

二、电磁感应的应用

电磁感应现象的发现为电和磁的转化铺平了道路，工程及生活应用中很多发明都是根据电磁感应原理制成的，如我们熟知的发电机、电磁炉以及将来肯定会普及的无接触式充电电池，等等。

如电磁炉：

电磁炉内炉面一般是耐热陶瓷板，下方有一铜线制线圈，线圈产生交流磁场(强弱不停变化的磁场)，交流磁场通过放在炉面上的铁磁性金属器皿时，能量以两种物理现象在器皿内转化成热能：

(1)涡电流，交流磁场使器皿底部产生感应涡电流，涡电流使锅底迅速发热，转化为热能；

(2) 磁滞损耗，交流磁场在不停的改变锅底金属的磁极方向时会造成能量损失而化成热能。

主要的热力来源以涡流所产生的为主，磁滞损耗产生的热能少于10%，加热了的器皿便可加热食物。电磁炉产生的电动势类型为感生电动势。

三、无接触式充电电池

车的充电装置相当于汽车燃料的加注站，可以通过反复充电提供车辆持续运行的能源。近年来，国外涌现出了三种非接触式电动车充电装置，其中一种充电方式就是利用电磁感应现象，充电原理是：为充电线圈N1提供交流电并产生磁场时，磁力线穿过与之分离一定距离的接收线圈N2。交流电产生的交变磁场，使接收线圈产生相应的感应电动是并对外充电。电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输电力，是最接近实用化的一种充电方式。该应用产生的电动势类型为感生电动势。

四、小结

不论是发动机，电磁炉还是无接触式充电电池都是利用电磁感应原理来实现其他形式的能量向电能的转化。产生的电动势类型有动生电动势、感生电动势抑或两种电动势都存在，电流为交流的形式输出。除了上述几种应用实例外，还有很多类似的发明，如汽车车速表，话筒等，在此不一一列举。

[1]渠晓姗.动生电动势与感生电动势[J].科技视界，2016，(01)：217-218.

[2]孙小科.动生电动势与感生电动势浅析[J].科技信息，2012，(22)：92-92.

[3]李洪伟.感生电动势[J].中学物理教学参考，2012，(03)：28-29.