电磁感应科普

迈克尔·法拉第（Michael Faraday）于1831年发现的电磁感应揭示了磁场和电流之间的迷人关系，从根本上改变了我们对能源产生的理解。电磁感应原理意味着不断变化的磁场可以在导体中感应出电流，从而消除了电池产生电流的必要性。

乍一看，磁铁以其神秘的品质和无形的力量吸引着我们。然而，意识到这些看似普通的物体与推动和塑造我们日常生活的技术的许多方面错综复杂地联系在一起，这确实令人瞩目。

想象一下，一个熙熙攘攘的城市，街道被无数的路灯照亮，工厂嗡嗡作响，电器嗡嗡作响。有没有想过所有这些电力是如何产生的？简而言之，这一切都源于电磁感应的概念。

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在本文中，我们将深入研究电磁感应的有趣世界，探索使其成为现代技术基石的原理、机制和实际应用。

磁场基础

为了掌握电磁感应的概念，建立对磁场性质的基本认识是有帮助的。磁场与电场不同，并且可能更具理解性。

在电磁学领域，术语“磁场”是指两个紧密相连并由符号表示的矢量场B和H.
B是磁通密度，单位为特斯拉[T]而H是磁场强度，单位为[A/m].

与直接来自单个电荷的电场不同，由于没有磁电荷，磁场以细微的方式产生。此外，没有磁电荷会导致磁力线（更准确地说，磁通密度B）总是形成没有任何开始或结束的闭环。这里，磁场是指磁通密度B.

在没有磁电荷的情况下，磁场的产生是通过间接方式发生的。自然界的固有原理是电荷的运动，包括移动的电子，会产生磁场。这适用于流经导线的电流，因为电流涉及许多电子的集体运动。因此，通过导线的连续（DC）电流会产生磁场，在导线周围形成圆形图案，如图1所示。

磁力线具有独特的性质，有助于理解磁场的行为\（B\）。这些线形成闭合和连续的曲线，这意味着它们创建了一个没有任何中断的循环。磁力线的密度表示磁场的强度。当线条拥挤或间隔很近时，它表示强磁场。相反，随着与物体距离的增加，线的密度降低，反射出较弱的磁场。

此外，磁力线永远不会相交或交叉。如果发生这样的交点，交点处的切线将指示不同的方向，这与磁场的性质相矛盾。这仅在字段不为零的点上是正确的。

法拉第电磁感应定律

法拉第感应定律是电磁学领域的基石，提供了对磁场和电流之间关系的深刻理解。这一原理是由著名科学家迈克尔·法拉第于1831年发现的。

法拉第感应定律的核心是，只要导体和磁场之间存在相对运动，电路中就会感应出电动势（EMF），并且该电动势的大小与磁通量的变化率成正比。因此，我们知道磁场可以用来产生电压（即电动势）。如果存在闭合电路，则电流将在该电路中流动。

导线周围的磁场

让我们从一个简单的电流流过导线的例子来解释这个定律。在上一节中，我们了解到当电流流过导线时，导线周围会产生磁场。特别是这种现象就是所谓的安培定律。

如果将这根导线缠绕成线圈，该线圈周围的磁场会显着增强。这是因为通过在线圈中添加更多环路，每个单独的环路产生的磁场组合在一起，沿线圈中心产生聚焦磁场。下图说明了这种相互作用，该图描绘了一个松散缠绕的线圈。

随着线圈缠绕得更紧，磁场沿线圈的整个长度分布得更均匀。线圈的磁场强度不仅可以通过增加电流来增强，还可以通过增加线圈内的环路数量来增强。

当线圈又长又直时，它被称为螺线管，可以产生与条形磁铁均匀性非常相似的磁场。

电磁感应的实际应用

现在，如果我们要从线圈中移除电流并用位于线圈内的条形磁铁替换空磁芯会怎样？当我们操纵这个条形磁铁的位置，将其向内拉并向外推时，线圈内磁通量的物理运动将在其内感应出电流。

同样，如果我们要将条形磁铁固定到位，而是在磁场中来回移动线圈，线圈内会产生电流。因此，通过移动线圈或改变磁场，我们可以在线圈内感应电压和电流。这种现象被称为电磁感应。

为了增加清晰度，请记住存在与条形磁铁相关的磁场;磁场线穿过线圈。换句话说，线圈上有磁通量。这种磁通量的变化可以通过移动磁铁或线圈来完成，这是感应电动势的原因，因此在线圈中产生电流。

下面的图5通过振镜非常清楚地展示了这一过程。电流计是用于测量电流的机电设备。

通过将电线连接到该仪器，它具有检测电线内是否存在电流的能力。在没有电流的情况下，振镜的指针将向左移动，而电流的发生将促使向刻度的右侧移动。

在这里，电线缠绕在铁芯上，磁铁进出铁芯。通过这种运动，通过电线的磁通量正在发生变化，并且在电线中感应出电流。当磁铁停止时，振镜指针不会移动，因为导线中没有电流。从本质上讲，磁铁或铁芯是运动物体并不重要。只要通过导线的磁通量发生变化，导线中就会感应出电动势，从而导致电流计检测到电流。

影响感应电动势强度的因素

现在的问题是，什么会影响感应电动势的强度，在闭合电路的情况下，会影响电流量。主要有三个影响因素：

1. 增加线圈的匝数：通过在线圈上增加更多的导线匝数，总感应电动势（EMF）会放大。这是因为线圈的每个单独匝都有助于整体电动势，从而产生累积效应。例如，如果线圈中有 100 圈，由于磁场相互作用的增加，感应电动势将比单根导线大 100 倍。
2. 提高线圈和磁铁之间的相对运动速度：当线圈以更高的速度通过磁场时，它切断磁力线的速率会增加。结果，决定感应电动势的磁链会加剧。因此，线圈的更快运动提高了电磁感应的效率，从而产生了更高的感应电动势。
3. 增强磁场强度：如果线圈移动的磁场变强，线圈相交的磁力线数量也会增加。这种升高的磁场密度转化为更大的磁通链，导致更高的感应电动势。通过操纵磁场的强度，我们可以通过电磁感应有效地控制感应电动势的大小。

楞次电磁感应定律

楞次定律是电磁感应的基本原理，它帮助我们了解磁场发生变化时感应电流的方向。该定律由俄罗斯物理学家海因里希·伦茨（Heinrich Lenz）于1834年提出，基于能量守恒定律，并阐明了磁场与感应电流之间的关系。

感应电流的方向

根据楞次定律，感应电流总是以与引起它的磁场变化相反的方向流动。 换句话说，感应电流产生一个磁场，其作用方向与原始磁场相反。这种行为可归因于磁场与导体中带电粒子之间的相互作用。

为了可视化此概念，请想象一个场景，其中磁铁向导线环移动，类似于上一节图5中的示例。当磁体接近环路时，通过环路的磁通量增加。根据楞次定律，回路中的感应电流将以这样的方式流动，从而产生与入射磁场相反的磁场。这个相反的磁场有助于减缓磁通量的变化并节省能量。

同样，如果磁体远离环路，则通过环路的磁通量会降低。楞次定律规定，感应电流现在将沿相反方向流动，以产生抵抗磁通量减少的磁场。这个相反的磁场有助于保持整体磁通量，并坚持节能原则。

电磁感应背景下的节能

在这种情况下，我们谈论能量守恒，但首先我们应该真正了解磁场中的能量实际上来自哪里。简而言之，磁场的能量来自引起它的电流。

考虑一个基本电路，其中电源通过导线向电阻器提供能量。一旦系统达到稳定状态，导线周围就会形成恒定的磁场，从而存储传输的能量。

这种能量转移遵循楞次定律的原理，该定律是牛顿第三定律的磁性对应物。楞次定律可以概括为每当磁场发生变化时产生相反的电场。这种相反的电场，通常称为反电动势（反电动势），是为了抵消磁场的变化而出现的。

在给定的场景中，当电源被激活时，电线会产生一个磁场，开始在它们周围形成。当这个磁场经历从零到非零值的过渡时，伦茨定律规定产生抵消这种变化的电场。

该电场在电路中以电压的形式变得明显。相反的电压持续到电流达到其极限稳态值。因此，电流不能经历瞬时变化，而是在特定时间间隔内逐渐从零发展到最终幅度。

此外，随着电流的增加，导线两端存在压降。电压和电流的存在意味着功耗。虽然实际导线固有地会经历电阻损耗，例如发热，但在这个特定示例中，我们将忽略这些损耗。

在这种情况下遇到的功率对应于转移到导线周围磁场中的能量。与加速汽车所需的能量类似，必须考虑增加电路变化率所需的能量，即电流。

楞次定律可以被视为自然界确保能量守恒的一种机制。能量守恒是一个基本原则，楞次定律阐明了在磁场领域如何坚持这一原则。

涡流

涡流是暴露于不断变化的磁场时在导电材料中产生的感应循环电流。 这些漩涡流以流水中看到的漩涡命名，是磁场和导体之间相互作用的有趣表现。

当导体（例如金属板）受到变化的磁场时，通过导体的磁通量会随着时间的推移而变化。结果，根据法拉第电磁感应定律，导体中感应出电动势，产生涡流。

这些电流在导体内以闭环形式循环，产生局部磁场，与原始磁场的变化相反。通常，任何导致磁场强度或方向变化的因素都可能导致导体内涡流的发生。

与流过导体的任何电流类似，涡流会产生自己的磁场。根据楞次定律，感应电流的方向，例如涡流，使得产生的磁场与产生它的磁场的变化相反。

图6显示了移动导电金属板和固定磁铁之间的相互作用。当薄片接近磁体的左边缘时，它会遇到越来越大的磁场，导致产生逆时针涡流。这些涡流产生自己的磁场，与外部磁场相反，产生一种称为磁阻力或磁阻尼的现象。

当导电金属板远离磁体边缘时，它会离开磁场，导致磁场方向发生变化。这种变化会在片材内引起顺时针涡流，从而产生向下的磁场。因此，这种向下的磁场吸引外部磁铁，导致阻力的产生。

涡流的实际意义

涡流会产生各种影响，其中一些可能是有利的，而另一些则可能导致不良后果。一个显着的影响是由于涡流遇到的电阻而在导体内产生热量。这种现象在感应加热等应用中很常见，在这些应用中，利用受控的涡流来加热各种工业过程中的物体。

但是，在某些情况下，涡流会导致能量损失和不良影响。例如，在变压器和电动机中，涡流引起的热量耗散在整个过程中是能源浪费。

为了最大限度地减少功率损耗，变压器通常采用叠层铁芯，如下图7所示。与实心芯不同，层压芯由薄钢层压组成，表面有非导电涂层。这种配置可防止涡流在层压之间穿过，从而限制它们在每个单独的层压内流动。通过将涡流限制在较小的区域内，它们的幅度显着减小，从而降低磁芯内的能量耗散。

如果您来自CFD背景，这与涡流脱落的概念非常相似，以及如何打破涡流（涡流）以减少它们对目标结构的影响。

此外，涡流可能会对磁制动系统产生影响，它们在旋转的金属盘或圆柱体内产生会产生拖曳力，从而减慢运动速度。该原理用于磁力制动器和涡流阻尼器等设备。

电磁感应的应用

了解磁场和电流之间的关系使科学家和工程师能够开发各种设备和系统，利用电磁感应实现各种目的。

其中一些应用程序是：

1. 发电
2. 电力变压器
3. 感应电机
4. 无线充电
5. 磁悬浮

变压器中的电磁感应

电磁感应最重要的应用之一是变压器。变压器在配电系统中起着至关重要的作用，可实现长距离高效电力传输并实现电压转换。变压器的工作原理是基于两个线圈之间的相互感应，称为初级线圈和次级线圈。

变压器在能量守恒定律下起作用，该定律指出能量既不能被创造也不能被破坏，只能被转换。因此，变压器不发电，它只是改变电压以适应用户的需求。变压器通过电磁感应过程实现这种电压变化。

当交流电（AC）流过初级线圈时，它会在其周围产生变化的磁场。这种变化的磁场通过电磁感应在次级线圈中感应出电压。

通过调整每个线圈的匝数，变压器可以根据电网的要求升压或降压电压水平。这种能力确保电能可以在高电压下长距离传输，从而减少功率损耗，然后可以将其转换为适合消费者使用的较低电压。

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