电磁感应定律

1、第十二章电磁感应 1820 年奥斯特的电流磁效应实验做出后，在整个欧洲大陆激起了极大反响。 1821 年，英国一家有名望的杂志哲学年鉴的主编邀请著名化学家戴维撰写一篇文章，综合评述一年来电磁学实验和理论发展的概况。戴维却将任务交给了他的助手法拉第。 法拉第出生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学，13岁时便在一家书店里当学徒。书店的工作使他有机会读到许多科学书籍。在送报、装订等工作之余，自学化学和电学，并动手做简单的实验，验证书上的内容。利用业余时间参加市哲学学会的学习活动，听自然哲学讲演，因而受到了自然科学的基础教育。 由于他爱好科学研究，专心致志，受到名师戴维的赏识，1

2、813 年3 月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。这是法拉第一生的转折点，从此他踏上了科学研究的道路。同年10月戴维到欧洲大陆作科学考察和讲学，法拉第作为他的秘书、助手随同前往。历时一年半，先后经过法国、瑞士、意大利、德国、比利时、荷兰等国，结识了安培、盖吕萨克等著名学者。沿途法拉第协助戴维做了许多化学实验，这大大丰富了他的科学知识，增长了实验才干，为他后来开展独立的科学研究奠定了基础。1815 年5 月回到皇家研究所在戴维指导下进行化学研究。 法拉第在搜集材料的过程中激发起对电磁现象的极大兴趣，从此开始转向对电磁学方面的实验研究。 思想深邃、敏锐的法拉第不仅仔细分析了电流的磁效应现象，总结

3、出电流与磁作用的几个方面，而且将电与磁的作用作了对比：类比应有磁铁 使近旁铁器 感应带磁（磁化）电荷 使近旁导体 感应带电电流 使近旁线圈 感应电流？电流可以产生磁场，磁场是否也能产生电流呢？ 电 流磁 场电磁感应( electromagnetic induction )产 生?法拉第实际上是提出了这样一个问题：法拉第在他的日记中断言：磁能转化成电 起初，法拉第以为用强磁铁靠近导线，导线中就能感生电流；或者在一条导线中通上强大的电流，就能在其附近的另一条导线中感生出电流。他做了大量的实验，当然都失败了。这个时期的法拉第还没有能量转换和守恒的思想。 1831年夏，法拉第第五次回到“磁生电”的课题

4、上来，终于获得了突破性的进展，他发现了电磁感应的第一个效应。ISN1831年8月29日法拉第(Michael Faraday 17911867) 从1822年到1831年，法拉第经过了近十年的不懈努力，终于发现了电磁感应现象，这是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅为揭示电与磁之间的相互联系和转化奠定实验基础，促进了电磁场理论的形成和发展，而且为人类广泛利用电能开辟了道路，成为第二次工业和技术革命的开端。 感应电流 1831年法拉第闭合回路变化实验产生 最终法拉第认识到电磁感应的暂态性（非稳恒）。1831年11月24日，他向皇家科学院递交论文，报告了整个研究情况，并将这一系列的实验现象定名为“

5、电磁感应”。引导法拉第走向成功的基本思想是：电与磁的统一性、对称性空间具有物质属性（惯性） 法拉第甚至在那时就设想过万有引力与电磁力之间存在某种方式的联系！ 电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要成就，它进一步揭示了自然界电现象与磁现象之间的联系。它为人类获取巨大而的电能开辟了道路，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。它为揭示电与磁之间的相互联系和转化奠定了实验基础，促进了电磁场理论的形成和发展；在理论上在实践上12.1 电磁感应定律一、电磁感应现象 磁棒相对线圈运动得越快，感应电流就越大。现象一 一个线圈的两端接在检流计上，构成测量回路。 当磁棒相对线圈运动时，线圈中产生感应电流。感

6、应电流的方向与磁棒的运动方向及磁极的方向有关。 两个彼此靠得很近的线圈相对静止，线圈 A 和检流计相连。B 线圈与直流电源、电阻器、电键连接成回路。现象二 接通或断开线圈 B 中的电流，在线圈A 中会产生类似于现象一的情形。 当回路 1 中电流发生变化时，在回路 2 中出现感应电流。R12 G 将一根与电流计连成测量回路的导体棒放在均匀磁场中，当导体棒在恒定磁场中切割磁感应线时，就会在回路中产生感应电流。导体棒运动得越快，感应电流越大。 现象三 在现象一和现象二中，线圈回路中的磁场发生了变化，在现象三中，回路中的磁场并没有变化，但回路面积发生了变化。在这三种情况下，有一点是共同的：即穿过闭合导

7、体回路的磁通量都发生了变化。 当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，不管这种变化是什么原因引起的，在导体回路中就会产生感应电流。这就是电磁感应现象。法拉第注意到：于是，他总结出：电动势electromotive force （emf）形成产生 当通过回路的磁通量变化时，回路中就会感生电流，说明回路中出现了感应电动势。二、电磁感应定律1. 法拉第定律 （Faraday law ） 因回路的磁通量的变化而产生的电动势叫感应电动势。感应电动势可以在非导体回路中产生，尽管此时无感应电流。感应电流只是回路中存在感应电动势的对外表现。 法拉第注意到磁铁相对线圈运动的速率越大，线圈中感生的电流就越大。在18

8、51年他总结出：通过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。在SI制中，k = 1 对N匝线圈，表达式中磁通量应该用整个回路的磁通量匝数 （简称磁链数）来取代，写为 磁通链 ( magnetic flux linkage )定义那么，负号的意义是什么呢？（一根磁感应线环扣住的电流圈数） 由于电动势和磁通量都是标量，因此，它们的“正负”相对于某一指定的方向才有意义。用法拉第电磁感应定律确定电动势的方向，通常遵循以下步骤 :任意规定回路的绕行正方向。确定通过回路的磁通量的正负：如果通过回路的磁感应线方向与回路绕行正方向成右手螺旋关系，就规定该磁通量为正

9、，反之为负。确定磁通量的时间变化率的正负。最后确定感应电动势的正负。当感应电动势为正时，表示感应电动势的方向和回路的绕行正方向相同；当感应电动势为负时，表示感应电动势的方向和回路的绕行正方向相反。2. 楞次定律 ( Lenz law ) 1833 年 ，俄国物理学家楞次在概括了大量实验事实的基础上，总结出一条判断感应电流方向的规律，称为楞次定律。 闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律也可简练地表述为：感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。是反抗或补偿导线运动感应电流阻碍产生磁通量变化感应电流产生阻碍感应电流的效果引起感应电流的原因 可

10、以用楞次定律来确定感应电流的方向。当将磁铁棒N 极插入线圈时，通过线圈的磁通量增加，线圈中感应电流所激发的磁场，要反抗线圈中磁通量的增加，故这个磁场的磁感应线方向与磁铁棒的磁感应线方向相反。再根据右手螺旋定则确定线圈中感应电流的方向。当将磁铁棒N 极从线圈中拔出时，情况正好相反。 例如，导体棒在均匀磁场中作切割磁力线运动，在回路上产生感应电流，感应电流产生一作用于导体棒上的安培力，反抗导体棒运动。否则只需一点力使导线棒开始移动，若安培力不去阻挠它的运动，将有无限大的电能出现，显然，这不符合能量守恒定律。 楞次定律实质上揭示了电磁相互作用中的一种“惯性”现象空间磁场具有保持原有状态不变的趋势，这

11、是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现。 楞次是俄国物理学家和地球物理学家，生于爱沙尼亚的多尔帕特。早年曾参加地球物理观测活动，发现并正确解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象，1845年倡导组织了俄国地球物理学会。1836年至1865年任圣彼得堡大学教授，兼任海军和师范等院校物理学教授。 楞次主要从事电学的研究。楞次定律对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。1842年，楞次还和焦耳各自独立地确定了电流热效应的规律，这就是大家熟知的焦耳楞次定律。他还定量地比较了不同金属线的电阻率，确定了电阻率与温度的关系；并建立了电磁铁吸力正比于磁化电流二次方的定律。楞次3. 感应电流设线圈的电阻为

12、R，则通过线圈的感应电流为在t1到t2时间间隔内通过导线任一截面的感应电量 q 只和有关，和电流变化无关，即和磁通量变化快慢无关。快速转动：两种情况I t 图面积相等慢速转动：即 q 相等 大I 大，但t 小 小I 小，但t 大Ito快慢 即通过线圈的感应电量仅与磁链数变化的绝对值成正比，与其变化率无关。从实验中测出 q ，就可计算出磁链数的变化。据此原理可设计出测量磁通量的磁通计。 法拉第就是利用这个铁环，发现在其中一条导线通电或者断点的瞬间，会导致另一条导线产生短暂的电流。这个铁环如今已成为了著名的科学文物，它与一百六十年后的现代变压器竟然出奇地相似。法拉第环 (公元 1831 年) 交流发是电机原理：面积为S 的线圈有N 匝，放在均匀磁场B中，可绕oo轴转动，若线圈转动的角速度为，求线圈中的感应电动势。解：普通物理学教案例题1 ：设在t = 0 时，线圈平面的正法线方向 与磁感应强度 的方向平行此时，穿过N匝线圈的磁通链数为=t则 t 时刻， 与 之间的夹角由电磁感应定律可得线