什么是電磁感應(yīng)現(xiàn)象

　　電磁感應(yīng)（Electromagneticinduction）又稱磁電感應(yīng)現(xiàn)象，是指閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。這種利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。

　　電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)展歷史

　　1831年8月，法拉第把兩個(gè)線圈繞在一個(gè)鐵環(huán)上，線圈A接直流電源，線圈B接電流表。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線圈A的電路接通或斷開(kāi)的瞬間，線圈B中產(chǎn)生瞬時(shí)電流。法拉第發(fā)現(xiàn)，鐵環(huán)并不是必須的。拿走鐵環(huán)，再做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，上述現(xiàn)象仍然發(fā)生，只是線圈B中的電流弱些。為了透徹研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第做了許多實(shí)驗(yàn)。1831年11月24日，法拉第向皇家學(xué)會(huì)提交的一個(gè)報(bào)告中，把這種現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，并概括了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種類型：變化的電流、變化的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。法拉第之所以能夠取得這一卓越成就，是同他關(guān)于各種自然力的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的思想密切相關(guān)的。正是這種對(duì)于自然界各種現(xiàn)象普遍聯(lián)系的堅(jiān)強(qiáng)信念，支持著法拉第始終不渝地為從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)磁向電的轉(zhuǎn)化而探索不已。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，為建立完整的電磁理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場(chǎng)之間的聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立具有重大意義。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測(cè)量等方面都有廣泛的應(yīng)用。

　　產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

　　一是“閉合電路的一部分導(dǎo)體”（這句話包括兩層意思：①電路應(yīng)該是閉合的，而不是斷開(kāi)的，即組成電路的各元件連接成一個(gè)電流的通路；②要有一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)切割磁感線的導(dǎo)體一定是閉合電路的一部分）；二是“做切割磁感線運(yùn)動(dòng)”，所謂切割磁感線，類似于切菜，可以是垂直切割，也可以是斜著切割，但導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向不能與磁感線方向平行，可能是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，也可能是磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。

　　感應(yīng)電流方向影響的因素

　　在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，感應(yīng)電流的方向跟導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)的方向和磁感線方向有關(guān)，若改變導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與原運(yùn)動(dòng)方向相反，或?qū)⒋鸥芯€方向改為與原方向相反，則感應(yīng)電流方向?qū)⑴c原方向相反；若導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向和磁感線方向都變?yōu)楹驮瓉?lái)相反，則感應(yīng)電流的方向不變

　　電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用

　　1、動(dòng)圈式話筒

　　在劇場(chǎng)里，為了使觀眾能聽(tīng)清演員的聲音，常常需要把聲音放大，放大聲音的裝置主要包括話筒，擴(kuò)音器和揚(yáng)聲器三部分。話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡?a target="_blank">信號(hào)的裝置。圖2是動(dòng)圈式話筒構(gòu)造原理圖，它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的，當(dāng)聲波使金屬膜片振動(dòng)時(shí)，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動(dòng)，音圈在永久磁鐵的磁場(chǎng)里振動(dòng)，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號(hào)），感應(yīng)電流的大小和方向都變化，變化的振幅和頻率由聲波決定，這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。

　　2、磁帶錄音機(jī)

　　磁帶錄音機(jī)主要由機(jī)內(nèi)話筒、磁帶、錄放磁頭、放大電路、揚(yáng)聲器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，是錄音機(jī)的錄、放原理示意圖。錄音時(shí)，聲音使話筒中產(chǎn)生隨聲音而變化的感應(yīng)電流——音頻電流，音頻電流經(jīng)放大電路放大后，進(jìn)入錄音磁頭的線圈中，在磁頭的縫隙處產(chǎn)生隨音頻電流變化的磁場(chǎng)。磁帶緊貼著磁頭縫隙移動(dòng)，磁帶上的磁粉層被磁化，在磁帶上就記錄下聲音的磁信號(hào)。

　　放音是錄音的逆過(guò)程，放音時(shí)，磁帶緊貼著放音磁頭的縫隙通過(guò)，磁帶上變化的磁場(chǎng)使放音磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的變化跟記錄下的磁信號(hào)相同，所以線圈中產(chǎn)生的是音頻電流，這個(gè)電流經(jīng)放大電路放大后，送到揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器把音頻電流還原成聲音。

　　在錄音機(jī)里，錄、放兩種功能是合用一個(gè)磁頭完成的，錄音時(shí)磁頭與話筒相連；放音時(shí)磁頭與揚(yáng)聲器相連。

　　3、汽車車速表

　　汽車駕駛室內(nèi)的車速表是指示汽車行駛速度的儀表。它是利用電磁感應(yīng)原理，使表盤上指針的擺角與汽車的行駛速度成正比。車速表主要由驅(qū)動(dòng)軸、磁鐵、速度盤，彈簧游絲、指針軸、指針組成。其中永久磁鐵與驅(qū)動(dòng)軸相連。在表殼上裝有刻度為公里/小時(shí)的表盤。

　　永久磁鐵的磁感線方向其中一部分磁感線將通過(guò)速度盤，磁感線在速度盤上的分布是不均勻的，越接近磁極的地方磁感線數(shù)目越多。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)永久磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則通過(guò)速度盤上各部分的磁感線將依次變化，順著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的前方，磁感線的數(shù)目逐漸增加，而后方則逐漸減少。由法拉第電磁感應(yīng)原理知道，通過(guò)導(dǎo)體的磁感線數(shù)目發(fā)生變化時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。又由楞次定律知道，感應(yīng)電流也要產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁感線的方向是阻礙（非阻止）原來(lái)磁場(chǎng)的變化。用楞次定律判斷出，順著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的前方，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁感線與磁鐵產(chǎn)生的磁感線方向相反，因此它們之間互相排斥；反之后方感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁感線方向與磁鐵產(chǎn)生的磁感線方向相同，因此它們之間相互吸引。由于這種吸引作用，速度盤被磁鐵帶著轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)軸及指針也隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　為了使指針能根據(jù)不同車速停留在不同位置上，在指針軸上裝有彈簧游絲，游絲的另一端固定在鐵殼的架上。當(dāng)速度盤轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，游絲被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生相反的力矩，當(dāng)它與永久磁鐵帶動(dòng)速度盤的力矩相等時(shí)，則速度盤停留在那個(gè)位置而處于平衡狀態(tài)。這時(shí)，指針軸上的指針便指示出相應(yīng)的車速數(shù)值。

　　永久磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和汽車行駛速度成正比。當(dāng)汽車行駛速度增大時(shí)，在速度盤中感應(yīng)的電流及相應(yīng)的帶動(dòng)速度盤轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩將按比例地增加，使指針轉(zhuǎn)過(guò)更大的角度，因此車速不同指針指出的車速值也相應(yīng)不同。當(dāng)汽車停止行駛時(shí)，磁鐵停轉(zhuǎn)，彈簧游絲使指針軸復(fù)位，從而使指針指在“0”處。

　　4、熔煉金屬

　　交流的磁場(chǎng)在金屬內(nèi)感應(yīng)的渦流能產(chǎn)生熱效應(yīng)，這種加熱方法與用燃料加熱相比有很多優(yōu)點(diǎn)，除課本所述外還有：加熱效率高，達(dá)到50～90%；加熱速度快；用不同頻率的交流可得到不同的加熱深度，這是因?yàn)闇u流在金屬內(nèi)不是均勻分布的，越靠近金屬表面層電流越強(qiáng)，頻率越高這種現(xiàn)象越顯著，稱為“趨膚效應(yīng)”。工業(yè)上把感應(yīng)加熱依頻率分為四種：工頻（50赫）；中頻（0.5～8千赫）；超音頻（20～60千赫）；高頻（60～600千赫）。工頻交流直接由配電變壓器提供；中頻交變電流由三相電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)中頻發(fā)電機(jī)或用可控硅逆變器產(chǎn)生；超音頻和高頻交流由大功率電子管振蕩器產(chǎn)生。

　　無(wú)心式感應(yīng)熔爐的用途是熔煉鑄鐵、鋼、合金鋼和銅、鋁等有色金屬。所用交流的頻率要隨坩鍋能容納的金屬質(zhì)量多少來(lái)選擇，以取得最好的效果。例如：5千克的用20千赫，100千克的用2.5千赫，5噸的用1千赫以至50千赫。

　　冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，讓高頻交變電流通過(guò)線圈，被冶煉的金屬中就產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，適于冶煉特種合金和特種鋼。

　　感應(yīng)加熱法也廣泛用于鋼件的熱處理，如淬火、回火、表面滲碳等，例如齒輪、軸等只需要將表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高頻交流的空心線圈中，表面層在幾秒鐘內(nèi)就可上升到淬火需要的高溫，顏色通紅，而其內(nèi)部溫度升高很少，然后用水或其他淬火劑迅速冷卻就可以了，其他的熱處理工藝，可根據(jù)需要的加熱深度選用中頻或工頻等。

　　5、電動(dòng)機(jī)

　　發(fā)電機(jī)可以“反過(guò)來(lái)”運(yùn)作，成為電動(dòng)機(jī)。例如，用法拉第碟片這例子，設(shè)一直流電流由電壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)電軸臂。然后由洛倫茲力定律可知，行進(jìn)中的電荷受到磁場(chǎng)B的力，而這股力會(huì)按佛來(lái)明左手定則訂下的方向來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)碟片。在沒(méi)有不可逆效應(yīng)（如摩擦或焦耳熱）的情況下，碟片的轉(zhuǎn)動(dòng)速率必需使得dΦB/dt等于驅(qū)動(dòng)電流的電壓。

　　6、變壓器

　　法拉第定律所預(yù)測(cè)的電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)也是變壓器的運(yùn)作原理。當(dāng)線圈中的電流轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)變中的電流生成一轉(zhuǎn)變中的磁場(chǎng)。在磁場(chǎng)作用范圍中的第二條電線，會(huì)感受到磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，于是自身的耦合磁通量也會(huì)轉(zhuǎn)變（dΦB/dt）。因此，第二個(gè)線圈內(nèi)會(huì)有電動(dòng)勢(shì)，這電動(dòng)勢(shì)被稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或變壓器電動(dòng)勢(shì)。如果線圈的兩端是連接著一個(gè)電負(fù)載的話，電流就會(huì)流動(dòng)。