探究電磁感應定律及其簡單應用

姚韶臣

摘 要：電磁感應定律作為電磁領域的重要定律，對人類社會的發展起到了巨大的推動作用，具有劃時代的意義，時至今日，電磁感應定律依然在生產生活中發揮著巨大的作用。本文探究了電磁感應定律的基本原理、數學表達公式等，區分了動生電動勢與感生電動勢，分析了電磁感應定律在生產生活中的具體應用情況。

關鍵詞：電磁感應定律；推導公式；應用分析

法拉第電磁感應定律是電磁學領域的最重要的定律之一，電磁感應定律定量解釋了電與磁之間的相互轉換關系，在理論價值方面，電磁感應定律為麥克斯韋統一電磁場理論、創建麥克斯韋方程組奠定了堅實的理論基礎；站在實際價值角度，電磁感應定律是電氣化時代的理論基礎，人們從電磁感應定律出發，陸續創造出了發電機、變壓器等電氣設備，人類文明正式邁入電氣文明，這具有劃時代的意義。因此探究電磁感應定律具有非常重要的現實意義。

1 電磁感應定律概述

1.1 電磁感應的推導公式

電磁感應定律的定義是：因磁通量變化而產生感應電動勢的現象；電磁感應定律的表述公式為：

上述幾個公式都是電磁感應定律的不同數學表現形式，計算結果相同，（4）式的應用范圍最廣。

1.2 感應電動勢大小的影響因素

引入磁鏈概念探究影響感應電動勢大小的影響因素，利用磁鏈定義線圈電感值，假設在一閉合回路中有匝數為n的電感線圈L，交變電流i流經電感線圈時，根據電流磁效應，交變電流i產生變化磁場，電感線圈在變化的磁場中，磁通量發生變化，產生感應電動勢：

1.3 感生電動勢與動生電動勢

根據電磁感應定律公式（3），

磁通量的變化是產生感應電動勢的原因，那么引起磁通量變化就可以一分為二看待，有可能是因為磁感應感應強度B的變化引起的，也可能是線圈面積變化所引起的，將（7）式進行轉化可得下列運算公式：

上式第一項即磁感應強度隨時間變化所產生的電動勢，典型代表為老式家庭電視天線；上式第二項是線圈面積隨時間便變化而產生的動生電動勢，典型代表即各類發電機。需要注意的是（8）式是與（4）式等價的。

2 電磁感應定律的應用

2.1 電磁感應定律應用——發電機

“電”這種能源形式因其傳輸方便、環保無污染等優點被廣泛應用，因此發電技術在國民經濟發展中占據重要地位。

發電機是一種將其他形式能源轉變為電能的裝置，將風能、潮汐、熱能、核能等形式的能源轉化為電能，雖然發電機的構成各不相同，例如利用水利能源制成的水輪發電機，利用煤炭石油的汽輪發電機等，但是核心工作原理都是依靠電磁感應定律，輔以電磁率定律。通過構造出能夠互相進行電磁感應的磁場與交變電流，實現能量轉換。

發電機的核心部件是定子與轉子，輔助部件是機座、軸承等部件，定子主要包括鐵芯及線包繞組等，轉子包括鐵芯、轉子磁極、滑環等，工作時通過滑環給轉子通入勵磁電流，根據電流磁效應，轉子產生旋轉磁場，定子做切割磁感線運動，產生感應電動勢。

2.2 電磁感應定律應用——變壓器

發電機發電結束后需要將電力及時傳輸，滿足用戶需求，尤其是我國目前能源地域分布與需求分布嚴重不匹配，例如西北地區風能儲量極大，也建立了很多大型風電場，但是西北地區的需求量卻很小，所以產生了“西電東送”等發展戰略，在高壓電力傳輸過程中，變壓器是重要電氣設備。

上述結論是理想情況下即線圈1內的磁通量等同于線圈2內的磁通量，計算結果顯示，初級與次級電動勢比值與線圈匝數成正比，但是實際情況或多或少都存在漏磁、渦流等情況，為了提高變壓器的工作效率，傳統做法是更換導磁率高的鐵芯、改善線圈繞制緊密勻稱程度或者是在保持增n1n2不變的情況下加n1，但是更換高效率鐵芯的改善效果是有限的，而且容易出現磁飽和的現象，因此提高匝數與改善線圈繞制是提升變壓器效率行之有效的辦法。

2.3 電磁感應定律應用——手機無線充電技術

隨著智能手機的普及，尤其是各類APP的廣泛應用，手機電池的電量消耗問題日益引起手機開發商的重視，像OPPO推出快充功能，有的手機開發商則提出無線充電的噱頭，手機無線充電技術的基本原理也是電磁感應定律，核心技術是磁場源與感應端的合理設計，具體是充電底座實際上電流轉化，首先普通電（220伏/50赫茲）的交流電，先后經過低頻交流——直流——高頻交流的轉換，最終轉化的交變電流能夠形成穩定變化的磁場，需要充電手機放置于充電底座上，手機內設的磁感應線圈，線圈內的磁通量因磁場的變化而變化，產生感應電動勢，在手機內的閉合回路中產生穩定電流，從而形成對手機的充電。需要注意的是，手機無線充電技術的難點在于對電流的控制上，轉換后的交變電流頻率控制是關鍵，否則將會影響充電市場，更重要的是防止出現安全事故。

2.4 電磁感應定律應用——電磁爐

電磁爐作為現代廚房的常見烹飪器具，因其效率高、加熱快、無明火等特點備受人們青睞。電磁爐在工作過程中運用了電磁感應、渦流效應、電流磁效應等定理。

電磁爐的工作原理具體是指：交流電（即市電，220伏，50赫茲）接通后，首先會進行調頻，交流電通過整流電路將交流市電轉化為直流電，然后直流電轉化為高頻（20-40赫茲）交流電，根據電流磁效應，高頻交變電流產生交變磁場，交變磁場穿過烹飪器具（多為鐵、銅等金屬材質），根據電磁感應定律，從微觀角度看，烹飪器具內的電子等做切割磁感性的運動，產生非常多的感應電流（渦流），由于烹飪器具的電阻相對較高，根據功率計算公式

產生的感應電流會產生熱效應，從而完成事物的蒸煮、烹飪。

基于上述原理，提升熱功率的直接措施即提升感應電流大小，感應電流大小與感應電動勢成正比，而感應電動勢的大小與交變電流的頻率、線圈匝數、烹飪器具的特性有關，而且研究表明，將有磁性的物質放置于磁場中，可以直線提升感應電動勢大小，因此以鐵磁材料為原材料制作的平底鍋成為與電磁爐搭檔的首選。

在電磁爐功率調節中，當前很多電磁爐都通過單片機等進行控制，通過將負荷電流的大小設計為PWM信號占空比即可實現功率調節，占空比越高功率越高，反之亦然。

3 結論

電磁感應定律揭示了電磁之間的轉化關系，在人類社會中的影響無處不在，因此探究法拉第電磁感應定律具有非常的現實意義，只有深入掌握了電磁感應定律的原理，在生產生活中靈活應用，才能最大程度發揮電磁感應定律的作用，進而推動人類社會的進步與發展。

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