定律定义
电磁感应现象是电磁学中最重大的发觉之一,它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化,对其本质的深入研究所阐明的电、磁场之间的联系,对麦克斯韦电磁场理论的构建具有重大意义。
若闭合电路为一个n匝的线圈,则又可表示为:ε=n(ΔΦ/Δt)。式中n为线圈阻值,ΔΦ为磁路量变化量,单位Wb,Δt为发生变化所用时间,单位为s.ε为形成的感应电动势,单位为V.
电磁感应定理最基本的公式是e=-n(dΦ)/(dt),常有一些人误人子弟不加减号,这样既忽视了楞次定理制约的作用,也不能在相平面上自圆其说。(1)在频域上表达式为e(t)=-n(dΦ)/(dt),其中e是时间t的函数(2)在复时域上表达式为E=-jwnΦ,加粗的表示向量(3)若果只看大小|E|=n|-(dΦ)/(dt)|
[感应电动势的大小估算公式]
1)E=-n*ΔΦ/Δt(普适公式){法拉第电磁感应定理,E:感应电动势(V),n:感应线圈阻值,ΔΦ/Δt磁路量的变化率}
2)E=-(切割磁感线运动)E=BLV中的v和L不可以和磁感线平行,但可以不和磁感线垂直,其中角A为v或L与磁感线的倾角。{L:有效宽度(m)}
3)Em=nBSω(交流发电机最大的感应电动势){Em:感应电动势峰值}
4)E=-B(L^2)ω/2(导体一端固定以ω旋转切割){ω:角速率(rad/s)法拉第电磁感应公式,V:速率(m/s)}
2.磁路量Φ=BS{Φ:磁路量(Wb),B:匀强磁场的磁感应硬度(T),S:正对面积(m2)}
3.感应电动势的正正极可借助感应电压方向判断{电源内部的电压方向:由正极流向负极}
*4.自感电动势E自=-n*ΔΦ/Δt=LΔI/Δt{L:自感系数(H)(线圈L有铁芯比无铁芯时要大),ΔI:变化电压,Δt:所用时间,ΔI/Δt:自感电压变化率(变化的快慢)}1
验证推论
感应电压形成的条件:
1.电路是闭合且通的;
2.穿过闭合电路的磁路量发生变化。
(若缺乏一个条件,就不会有感应电压形成)。
感应电动势的种类:动生电动势和感生电动势。
动生电动势是由于导体自身在磁场中做切割磁感线运动而形成的感应电动势,其方向用手指定则判定,使大手指跟其余四个脚趾垂直而且都跟手指在一个平面内,把双手装入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,大手指指向导体运动方向,则其余四指指向动生电动势的方向。动生电动势的方向与形成的感应电压的方向相同。手指定则确定的动生电动势的方向符合能量转化与守恒定理。
感生电动势是由于穿过闭合线圈的磁场硬度发生变化形成涡旋电场造成电压定向运动。其方向符合楞次定理。手指食指指向磁场变化的反方向,四指握拳,四指方向即为感应电动势方向。1
定律推广
有些化学学家注意到法拉第定理是一条描述两种现象的等式:由磁力在联通中的电缆线中形成的动生电动势,及由磁场转变而成的电力所形成的感生电动势。如同理查德费曼强调的那样:
所以"通量定则",强调电路中电动势等于通过电路的磁路量变化率的,同样适用于通量不变化的时侯,这是由于场有变化,或是由于电路联通(或二者皆是)……但是在我们对定则的解释里,我们用了两个属于完全不同个案的定理:"电路运动"的和"场变化"的。
我们不晓得在数学学上还有其他地方,可以用到一条这么简单且确切的通用原理,来明白及剖析两个不同的现象。
–理查德·P·费曼《费曼数学学课件》2
发展导论
法拉第定理最初是一条基于观察的实验定理。后来被即将化,其偏行列式的限制版本,跟其他的电磁学定理一块被列麦克斯韦等式组的现代赫维赛德版本。
法拉第电磁感应定理是基于法拉第于1831年所作的实验。这个效应被约瑟·亨利于大概同时发觉,但法拉第的发表时间较早。
俄罗斯化学学家海因里希·楞次(H.F.E.Lenz,1804-1865)在概括了大量实验事实的基础后,总结出一条判定感应电压方向的规律,称为楞次定理()。
提出问题
1820年,H.C.奥斯特发觉电压磁效应后,有许多化学学家便企图找寻它的逆效应,提出了磁能够形成电,磁能够对电作用的问题。
研究
1822年,D.F.J.阿拉果和A.von洪堡在检测地磁硬度时法拉第电磁感应公式,碰巧发觉金属对附近n极的振荡有减振作用。
1824年,阿拉果按照这个现象做了铜盘实验,发觉转动的铜盘会推动上方自由悬挂的n极旋转,但n极的旋转与铜盘不同步。稍滞后,电磁减振和电磁驱动是最早发觉的电磁感应现象,但因为没有直接表现为感应电压,当时无法给以说明。
定理提出
1831年8月,法拉第在软铁环外侧分别绕两个线圈,其二为闭合回路,在导线上端附近平行放置一n极,另一与电瓶组相连,接开关,产生有电源的闭合回路。实验发觉,合上开关,n极偏转;切断开关,n极反向偏转,这表明在无电瓶组的线圈中出现了感应电压。法拉第立刻意识到,这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验,把形成感应电压的情形概括为5类:变化的电压,变化的磁场,运动的恒定电压,运动的吸铁石,在磁场中运动的导体,并把这种现象即将定名为电磁感应。因而,法拉第发觉,在相同条件下不同金属导体回路中形成的感应电压与导体的导电能力成反比,他由此认识到,感应电压是由与导体性质无关的感应电动势形成的,虽然没有回路没有感应电压,感应电动势仍然存在。
后来,确定感应电压方向的楞次定理以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定理被给出。(其公式并非法拉第亲自给出)并按形成缘由的不同,把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种,后者起源于洛伦兹力,前者起源于变化磁场形成的有旋电场。3
定律意义
法拉第的实验表明,不论用哪些方式,只要穿过闭合电路的磁路量发生变化,闭合电路中就有电压形成。这些现象称为电磁感应现象,所形成的电压称为感应电压。
法拉第依据大量实验事实总结出了如下定理:
电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁路变化率成反比。
感应电动势用ε表示,即ε=nΔΦ/Δt
这就是法拉第电磁感应定理。
电磁感应现象是电磁学中最重大的发觉之一,它阐明了电、磁现象之间的相互联系。法拉第电磁感应定理的重要意义在于,一方面,根据电磁感应的原理,人们制造出了发电机,电能的大规模生产和远距离输送成为可能;另一方面,电磁感应现象在钳工技术、电子技术以及电磁检测等方面都有广泛的应用。人类社会自此迈入了电汽化时代。3