探究電磁感應定律及其簡單應用

常穎

（東營市勝利第一中學，山東東營，257000）

1 電磁感應定律概述

電磁感應定律是高中物理電磁學部分的重要學習內(nèi)容，1831年英國物理學家法拉第通過實驗所發(fā)現(xiàn)，俄國物理學家楞次隨后總結出判斷電流方向的楞次定律，后人在實驗的基礎上將電磁感應定律定量化、正式化。

1.1 公式推導

廣義上，電磁感應定律定義為：磁通量的變化產(chǎn)生感應電動勢，磁通量的變化主要有兩種方式，一是改變磁感應強度，二是改變截面積，因此磁通量的公式為,,因此電磁感應定律的公式為：

帶入磁通量公式可得：

對上式求導可得

假設回路在磁場中運動速度為 ，將回路微分，回路微元為dl，則上式可以轉(zhuǎn)化為：

由此延伸一下，如果是導體在磁場中做切割磁感線運動，那么所產(chǎn)生的電動勢為：E=BLVsinθ ,如果是轉(zhuǎn)動切割磁感線，則電動勢大小為：。

為方便學習，高中物理課本中把線圈匝數(shù)為n的線圈理解為n個單匝線圈的串聯(lián)，因此電動勢的大小與線圈匝數(shù)成正比；同時電動勢與真空磁導率μ也成正比關系。

2 電磁感應定律的應用

電磁感應定律定量化描述電與磁之間的關系，在電磁感應定律的指導下，發(fā)電機、變壓器、電動機的電氣設備層出不窮，極大程度上改變了人類生產(chǎn)生活質(zhì)量與效率，提供了巨大的便利性，人類社會由此進入電氣文明的時代，時至今日，該定律依然煥發(fā)著無窮的生命力。

2.1 電磁感應定律在手機無線充電中的應用

當前智能手機已全面普及，各類手機APP在生活、娛樂、工作等方面發(fā)揮了巨大作用，但是大量APP的應用導致了手機電池電量消耗極快，因此需要頻繁為手機進行充電，傳統(tǒng)的充電方式是有線充電，對于需要頻繁充電的智能手機，有線充電有諸多不方便的地方，因此無線充電技術應用而生，無線充電技術的核心還是利用電磁感應定律。

手機無線充電技術的關鍵點是磁場源與感應源要設計足夠合理，其基本充電流程為：充電底座接220V，50Hz的普通市電，通過變換轉(zhuǎn)化為低頻交流電，低頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電，直流電再轉(zhuǎn)化為高頻交流電，根據(jù)電流磁效應，高頻交變電流產(chǎn)生穩(wěn)定變化的磁場，將手機放置于充電底座上即意味著手機處在穩(wěn)定變化的磁場中，此時手機內(nèi)設有磁感應線圈，由于環(huán)境中的磁感應強度變化，因此手機內(nèi)會產(chǎn)生感應電動勢，將手機內(nèi)的線路閉合就會在內(nèi)置回路中形成穩(wěn)定電流，繼而實現(xiàn)手機充電。

無線充電具有非常大的便利性，充電損耗低，具有非常廣泛的發(fā)展前景，手機無線充電技術的核心是控制交變電流的變化頻率，否則就會出現(xiàn)充電效率低或者安全等情況。

2.2 電磁感應定律在電磁爐中的應用

電磁爐是現(xiàn)代廚房中常見的烹飪工具，具有高效、節(jié)能的特點，而且烹飪過程不產(chǎn)生明火，安全性高，正因如此，電磁爐備受人們青睞。

電磁爐主要運用了電磁感應定律，電路接通之后首先需要進行調(diào)頻，調(diào)頻的過程相對復雜，220V50Hz的交流市電會先轉(zhuǎn)化為直流電，然后再轉(zhuǎn)化為20-40Hz的高頻交流電，高頻交變電流會產(chǎn)生交變磁場，此時烹飪器具就出在交變磁場中，由于烹飪工具多是鐵、銅等材質(zhì)，從微觀角度分析，烹飪器具內(nèi)的粒子運動實際上是切割磁感線，進而產(chǎn)生很多小渦流，在渦流作用下，烹飪器具內(nèi)的原子高速運動，運動過程中互相碰撞、摩擦，烹飪器具迅速升溫，從而實現(xiàn)烹飪的目的。

現(xiàn)實生活中，為了將更加方便調(diào)整電磁爐功率，往往通過選擇鐵磁鍋作為烹飪器具；同時將電磁爐內(nèi)的負荷電流耗設計為PWM占空比的形式，通過電磁爐內(nèi)置單片機調(diào)節(jié)占空比進而控制電磁爐功率。

2.3 電磁感應定律在儀表顯示中的應用

在各類儀表控制中，電磁感應定律的應用也非常廣泛，典型代表是在汽車車速儀表中的應用，汽車車速儀表的結構如圖1所示，其中驅(qū)動軸與永久磁鐵直接相連接。

永久磁鐵產(chǎn)生磁感線，部分磁感線通過速度盤且非均勻分布，磁極附近磁感線多，遠離磁極的空間磁感線就少，驅(qū)動軸帶動永久磁鐵進行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動前方，磁感線數(shù)量增加，轉(zhuǎn)動后方，磁感線數(shù)量減少，由于速度盤內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，內(nèi)部會產(chǎn)生感應電動勢，由于線路閉合，感應電動勢會產(chǎn)生感應電流。

根據(jù)楞次定律，感應電流所產(chǎn)生的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，因此感應電流所產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵產(chǎn)生的方向相反，因此轉(zhuǎn)動前方二者磁場相反，轉(zhuǎn)動后方，二者的磁感線方向一致，二者互相吸引，速度盤正因為該吸引作用而隨著驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速與車輛行駛速度成正比，驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速不同，則感應電流的強度就不同，速度盤的轉(zhuǎn)動幅度也不相同，為了將指針根據(jù)實時速度進行標示，需要設置彈簧游絲，彈簧游絲的兩端分別固定于指針軸與鐵殼架上，永久磁鐵帶動速度盤的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生力矩，彈簧游絲的則產(chǎn)生相反的力矩與之平衡，從而實現(xiàn)速度指示的目標。

圖1 速度表結構圖

2.4 電磁感應定律在發(fā)電中的應用

電是當前人類社會最主要的能源形式，電磁感應定律從理論的高度點明了電磁之間的關系，為人類社會邁入電氣文明時代鋪平了道路，當前國際能源形勢嚴峻，各類新能源層出不窮，探究將風能、潮汐能等新能源轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術一直都是學術界、企業(yè)技術人員的研究重點，在這其中，電磁感應定律仍然扮演著非常重要的角色，傳統(tǒng)發(fā)電技術中，首先產(chǎn)生能夠互相進行電磁感應的磁場與交變電流，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)發(fā)電機的核心零部件即為定子（鐵芯及線包繞組等）與轉(zhuǎn)子（具體包括鐵芯、轉(zhuǎn)子磁極、滑環(huán)等），工作過程中勵磁電流通過滑環(huán)傳遞給轉(zhuǎn)子，根據(jù)電磁感應定律，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，由于磁場是旋轉(zhuǎn)的，定子實際上在做切割磁感線的運動，由此產(chǎn)生電動勢。

風力發(fā)電因其綠色環(huán)保的特性而被國家所大力提倡，風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)空氣動力學原理，風吹過葉片在葉片正反面形成壓力差，壓力差導致葉片上升，葉輪轉(zhuǎn)動，此時葉輪的轉(zhuǎn)動速度偏慢，遠低于發(fā)電機發(fā)電所需要的轉(zhuǎn)速，因此需要設置齒輪箱進行調(diào)速（主要是增速），增速之后的轉(zhuǎn)速達到1500轉(zhuǎn)/min，由此帶動發(fā)電機內(nèi)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，發(fā)電機內(nèi)的定子繞組做切割磁感線的運動，產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的最大輸出一般為500-1500千瓦。目前我國的風力發(fā)電發(fā)展迅速，在東南沿海以及西北地區(qū)，大型的風力發(fā)電場出具規(guī)模，風力發(fā)電不涉及燃料、輻射及污染問題，未來將會在我國的能源格局中占據(jù)重要地位。

3 結論

電磁感應定律作為電磁學領域最重要的定律之一，除了前文列舉的應用案例之外，在發(fā)電機、電動機、變壓器、磁懸浮列車等方面有著極其廣泛的應用，為人類社會的發(fā)展進度起到了重要的推動作用，因此研究電磁感應定律具有非常重要的現(xiàn)實意義，因此我們首先要明晰電磁感應定律內(nèi)涵，在此基礎上通過靈活應用，進一步方便人們生活并推動工業(yè)生產(chǎn)。