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電磁感應
1831年法拉第發(fā)現的物理現象
電磁感應
發(fā)現歷史
1820年，丹麥物理學家漢斯·克海斯提安·奧斯特(丹麥語:Hans Christian ?rsted）發(fā)現電與磁之間的聯系，并引來一系列相關的科學活動?？茖W期刊收到了許多描述電磁效應和試圖解釋它們的有關文章，哲學雜志的編輯請法拉第進行評審。面對這樣大規(guī)模的實驗現象和推斷，法拉第開始系統地研究電磁現象。
1831年，法拉第獲悉亨利（Joseph Henry）在紐約奧爾巴尼（Albany）做的實驗。在這個實驗中，亨利使用了電磁力非常強的電磁鐵。法拉第立即有了觀測力線使電磁材料產生應變的想法。他把絕緣導線纏繞在粗鐵環(huán)上，從而能在鐵環(huán)內產生強磁場。應變效應能用另一個纏繞在環(huán)上的線圈探測到，這個繞組與一個電流計連接以測量產生的電流。1831年10月17日，他進行了一個新的實驗：向一個連接有電流計的長線圈（或螺線管）移動圓柱形磁鐵時，在線圈中產生了電流。然后，1831年10月28日，他在倫敦皇家學會做了一個著名的實驗，證明在社會上購買的“大馬蹄形磁鐵”的磁極之間旋轉一個銅圓盤時，可以產生持續(xù)電流。銅圓盤的軸和邊緣與電流計滑動接觸，銅圓盤旋轉時，指針偏轉。1831年11月4日，法拉第發(fā)現在磁鐵兩極之間簡單移動銅導線時可以產生電流。這樣，在4個月內，他發(fā)明了變壓器與發(fā)電機變壓器與發(fā)電機。
1864年，麥克斯韋推斷出光確實是一種電磁輻射。將法拉第的思想和發(fā)現放入數學表達式中，推導出在真空中傳播的任何電磁波都以光速行進，反向驗證了法拉第電磁感應定律的準確性。
相關理論
法拉第電磁感應定律
法拉第電磁感應定律:因磁通量變化產生感應電動勢的現象，閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流,這種現象叫電磁感應現象。由于這個現象是法拉第發(fā)現的，被稱為法拉第電磁感應定律，計算公式為：
當磁通量增加時，
楞次定律
楞次定律定義：感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。
楞次定律的本質:楞次定律中的“阻礙”作用，正是能量轉化和守恒定律的反映，在克服這種阻礙的過程中，其他形式的能量轉化為電能。
能量守恒本質上看，楞次定律可廣義地表述為：感應電流的“效果”總是要反抗(或阻礙)引起感應電流。
右手定則
伸開右手，使拇指跟其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內，讓磁感線從掌心進入,并使拇指指向導線運動的方向，這時四指所指的方向就是感應電流的方向。
適用于閉合電路部分導體切割磁感線產生感應電流的情況。
麥克斯韋-法拉第方程
麥克斯韋-法拉第方程（Maxwell-Faraday Equation）是電磁學中的一組方程之一，描述了電磁感應現象，它是由蘇格蘭物理學家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）和英國物理學家邁克爾·法拉第分別在19世紀上半葉提出的。麥克斯韋方程組全面地反映了電磁基本規(guī)律，描述了電場、磁場與電荷密度、電流密度之間的微分方程關系。
該方程是采用磁感應強度B對時間t的偏導數形式
洛倫茲力
運動的帶電粒子在磁場中所受的磁場力即為洛倫茲力，它的大小為F=qvBsinθ，方向遵從左手定則。F為感應電動勢產生的力；q為電荷量；v為電荷的速度；B為磁場強度；θ為電荷速度和磁場方向的夾角
計算方法
1.法拉第電磁感應定律基本公式
磁通量變化產生感應電動勢
公式為：
式中，ε為感應電動勢；n為線圈匝數；Φ為磁通量，
2.洛倫茲力
公式為：F=qvBsinθ
式中，F為感應電動勢產生的力；q為電荷量；v為電荷的速度；B為磁場強度；θ為電荷速度和磁場方向的夾角。
3.感應電流產生的電動勢
公式為：
式中，ε為感應電動勢；L為線圈的自感系數；
4.電磁感應功率
公式為：P=εi
式中，P為電磁感應產生的功率；ε為電磁感應產生的電動勢；i為電流強度。
5.感應電動勢的平均值
公式為：
式中，
應用
電磁感應作為一種重要的物理現象，在許多領域都有著廣泛的應用。
發(fā)電機和電動機
利用電磁感應原理制造的發(fā)電機和電動機是電力工業(yè)的重要設備，能夠將機械能轉化為電能或將電能轉化為機械能。
發(fā)電機是一種將機械能轉化為電能的設備。在它內部的轉子上裝有一個繞組，轉子轉動時，通過磁通量的變化和導體中電場磁場的相互作用，就可以將機械能轉化為電能，發(fā)電機中的電能輸出通常是交流電。
電動機
電動機是一種將電能轉化為機械能的設備。它的工作原理與發(fā)電機相反，是通過將電能輸入至電動機的定子繞組中，加上磁鐵的磁場，從而在轉子上產生旋轉力，使電動機的輸出軸旋轉，從而將電能轉化為機械能，常見的電動機有交流電動機和直流電動機兩種。
變壓器
變壓器利用電磁感應作用來實現電能的互相轉換，起到升壓、降壓、隔離、穩(wěn)壓等功能。
變壓器由鐵芯和兩個繞組組成：一個是輸入繞組，也稱為初級繞組，另一個是輸出繞組，也稱為次級繞組。
當輸入繞組通過一定的電壓時，輸入繞組中就會形成一定的電磁場，這個電磁場會在鐵芯中產生一個磁通量。當磁通量在鐵芯中的方向發(fā)生改變時，次級繞組中的電磁感應就會產生一定的電勢差，也就是輸出電壓，與輸入電壓相比，改變輸入繞組的匝數可以改變輸出繞組的電壓水平。
渦流加熱技術
利用電磁感應原理，在導體線圈上接入工頻交流電源，生成環(huán)形電流磁場，產生感應電流一渦流。這些電流在加熱線圈的導體上產生熱效應，從而達到給導體線圈外部介質加熱的目的。電磁感應渦流加熱裝置由電源供電系統、渦流感應器、導熱體、傳感器等幾部分組成。
環(huán)形導體線圈本身并不發(fā)熱，導體線圈繞組采用絕緣耐溫材料進行保護，發(fā)熱體內外電位差為零，不會出現類似電加熱棒因內部電陽絲市穿絕緣體與外加熱管壁短路，產生電火花的現象。由于發(fā)熱源是導體線圈的電磁感應即渦流效應，加熱部性熱量均今分布，傳熱效果好，發(fā)熱量易于控制，可有效地解決得油降粘問題，并且被加熱的介質可以是各種容器里的液體、氣體，防爆性能良好。
讀卡器
讀卡器是一種能夠讀取磁卡信息并將其轉換為數字信號的裝置，其工作原理也是基于電磁感應原理。
讀卡器主要由磁頭、信號處理電路和輸入輸出接口等組成。磁頭通常是由金屬線圈、磁芯、壓力輪和導向槽等部件組成的，負責探測磁卡表面上的微小磁場，并將其轉化為電信號。
信號處理電路會對磁頭讀取到的電信號進行放大、濾波等處理，并轉化為數字信號。數字信號經過一系列的譯碼、解密等處理后，才能被計算機等設備識別。，讀卡器應用于銀行卡、身份證、門禁卡、會員卡等許多領域。
電磁爐
電磁爐是一種利用電磁感應原理使導體產生熱量來加熱物體的電器產品。其工作原理與感應加熱類似，通過電磁感應產生感應電流，使盤面上的導體發(fā)生熱量，從而達到加熱的效果。
電磁爐加熱實物
電磁爐主要由盤面、線圈、電源等組成。盤面是由鐵、不銹鋼等導體材料制成的，線圈則圍繞在盤面下方，其內部接通的電源會產生磁場。
當電磁爐開啟時，通過電源供電，線圈中會產生一個交變磁場。因為盤面是一個良好的導體，它接收到了線圈中的電磁場并產生了感應電流，感應電流在盤面中形成了環(huán)狀電流，并根據焦耳熱原理使盤面上的導體產生加熱。盤面上需要加熱的物體與導體間的熱量轉移則取決于盤面表面溫度、導熱性以及間接接觸的物體本身等因素。
磁懸浮列車
磁懸浮列車利用交流電產生的磁場和列車上的超導磁體之間的相互作用力來實現懸浮和運行，是一種高速、節(jié)能、環(huán)保的交通工具。
磁懸浮列車是一種非常先進的高速列車，磁懸浮列車的主要構成部分包括磁懸浮裝置、動力系統、控制系統和車輛結構等，其運行原理是基于電磁感應和超導材料的特性設計而成的。通過利用電磁感應產生的力和超導材料的磁場特性來讓列車懸浮運行，從而消除了傳統軌道列車與軌道之間的接觸，達到了最小化空氣阻力的目的，帶來高速、高效、節(jié)能、安全、舒適的出行體驗。
未來展望
未來電磁感應技術的應用領域和發(fā)展趨勢主要集中在五個方面。
電磁感應相關的文章
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