探究电磁感应定律及其简单应用

常颖

（东营市胜利第一中学，山东东营，257000）

1 电磁感应定律概述

电磁感应定律是高中物理电磁学部分的重要学习内容，1831年英国物理学家法拉第通过实验所发现，俄国物理学家楞次随后总结出判断电流方向的楞次定律，后人在实验的基础上将电磁感应定律定量化、正式化。

1.1 公式推导

广义上，电磁感应定律定义为：磁通量的变化产生感应电动势，磁通量的变化主要有两种方式，一是改变磁感应强度，二是改变截面积，因此磁通量的公式为,,因此电磁感应定律的公式为：

带入磁通量公式可得：

对上式求导可得

假设回路在磁场中运动速度为 ，将回路微分，回路微元为dl，则上式可以转化为：

由此延伸一下，如果是导体在磁场中做切割磁感线运动，那么所产生的电动势为：E=BLVsinθ ,如果是转动切割磁感线，则电动势大小为：。

为方便学习，高中物理课本中把线圈匝数为n的线圈理解为n个单匝线圈的串联，因此电动势的大小与线圈匝数成正比；同时电动势与真空磁导率µ也成正比关系。

2 电磁感应定律的应用

电磁感应定律定量化描述电与磁之间的关系，在电磁感应定律的指导下，发电机、变压器、电动机的电气设备层出不穷，极大程度上改变了人类生产生活质量与效率，提供了巨大的便利性，人类社会由此进入电气文明的时代，时至今日，该定律依然焕发着无穷的生命力。

2.1 电磁感应定律在手机无线充电中的应用

当前智能手机已全面普及，各类手机APP在生活、娱乐、工作等方面发挥了巨大作用，但是大量APP的应用导致了手机电池电量消耗极快，因此需要频繁为手机进行充电，传统的充电方式是有线充电，对于需要频繁充电的智能手机，有线充电有诸多不方便的地方，因此无线充电技术应用而生，无线充电技术的核心还是利用电磁感应定律。

手机无线充电技术的关键点是磁场源与感应源要设计足够合理，其基本充电流程为：充电底座接220V，50Hz的普通市电，通过变换转化为低频交流电，低频交流电转化为直流电，直流电再转化为高频交流电，根据电流磁效应，高频交变电流产生稳定变化的磁场，将手机放置于充电底座上即意味着手机处在稳定变化的磁场中，此时手机内设有磁感应线圈，由于环境中的磁感应强度变化，因此手机内会产生感应电动势，将手机内的线路闭合就会在内置回路中形成稳定电流，继而实现手机充电。

无线充电具有非常大的便利性，充电损耗低，具有非常广泛的发展前景，手机无线充电技术的核心是控制交变电流的变化频率，否则就会出现充电效率低或者安全等情况。

2.2 电磁感应定律在电磁炉中的应用

电磁炉是现代厨房中常见的烹饪工具，具有高效、节能的特点，而且烹饪过程不产生明火，安全性高，正因如此，电磁炉备受人们青睐。

电磁炉主要运用了电磁感应定律，电路接通之后首先需要进行调频，调频的过程相对复杂，220V50Hz的交流市电会先转化为直流电，然后再转化为20-40Hz的高频交流电，高频交变电流会产生交变磁场，此时烹饪器具就出在交变磁场中，由于烹饪工具多是铁、铜等材质，从微观角度分析，烹饪器具内的粒子运动实际上是切割磁感线，进而产生很多小涡流，在涡流作用下，烹饪器具内的原子高速运动，运动过程中互相碰撞、摩擦，烹饪器具迅速升温，从而实现烹饪的目的。

现实生活中，为了将更加方便调整电磁炉功率，往往通过选择铁磁锅作为烹饪器具；同时将电磁炉内的负荷电流耗设计为PWM占空比的形式，通过电磁炉内置单片机调节占空比进而控制电磁炉功率。

2.3 电磁感应定律在仪表显示中的应用

在各类仪表控制中，电磁感应定律的应用也非常广泛，典型代表是在汽车车速仪表中的应用，汽车车速仪表的结构如图1所示，其中驱动轴与永久磁铁直接相连接。

永久磁铁产生磁感线，部分磁感线通过速度盘且非均匀分布，磁极附近磁感线多，远离磁极的空间磁感线就少，驱动轴带动永久磁铁进行转动，转动前方，磁感线数量增加，转动后方，磁感线数量减少，由于速度盘内的磁通量发生变化，内部会产生感应电动势，由于线路闭合，感应电动势会产生感应电流。

根据楞次定律，感应电流所产生的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，因此感应电流所产生的磁场与永久磁铁产生的方向相反，因此转动前方二者磁场相反，转动后方，二者的磁感线方向一致，二者互相吸引，速度盘正因为该吸引作用而随着驱动轴转动，驱动轴的转速与车辆行驶速度成正比，驱动轴的转速不同，则感应电流的强度就不同，速度盘的转动幅度也不相同，为了将指针根据实时速度进行标示，需要设置弹簧游丝，弹簧游丝的两端分别固定于指针轴与铁壳架上，永久磁铁带动速度盘的转动会产生力矩，弹簧游丝的则产生相反的力矩与之平衡，从而实现速度指示的目标。

图1 速度表结构图

2.4 电磁感应定律在发电中的应用

电是当前人类社会最主要的能源形式，电磁感应定律从理论的高度点明了电磁之间的关系，为人类社会迈入电气文明时代铺平了道路，当前国际能源形势严峻，各类新能源层出不穷，探究将风能、潮汐能等新能源转化为电能的发电技术一直都是学术界、企业技术人员的研究重点，在这其中，电磁感应定律仍然扮演着非常重要的角色，传统发电技术中，首先产生能够互相进行电磁感应的磁场与交变电流，实现能量转换，传统发电机的核心零部件即为定子（铁芯及线包绕组等）与转子（具体包括铁芯、转子磁极、滑环等），工作过程中励磁电流通过滑环传递给转子，根据电磁感应定律，转子会产生旋转磁场，由于磁场是旋转的，定子实际上在做切割磁感线的运动，由此产生电动势。

风力发电因其绿色环保的特性而被国家所大力提倡，风力发电是将风能转化为电能，根据空气动力学原理，风吹过叶片在叶片正反面形成压力差，压力差导致叶片上升，叶轮转动，此时叶轮的转动速度偏慢，远低于发电机发电所需要的转速，因此需要设置齿轮箱进行调速（主要是增速），增速之后的转速达到1500转/min，由此带动发电机内的转子转动，发电机内的定子绕组做切割磁感线的运动，产生感应电动势，感应电动势的最大输出一般为500-1500千瓦。目前我国的风力发电发展迅速，在东南沿海以及西北地区，大型的风力发电场出具规模，风力发电不涉及燃料、辐射及污染问题，未来将会在我国的能源格局中占据重要地位。

3 结论

电磁感应定律作为电磁学领域最重要的定律之一，除了前文列举的应用案例之外，在发电机、电动机、变压器、磁悬浮列车等方面有着极其广泛的应用，为人类社会的发展进度起到了重要的推动作用，因此研究电磁感应定律具有非常重要的现实意义，因此我们首先要明晰电磁感应定律内涵，在此基础上通过灵活应用，进一步方便人们生活并推动工业生产。