電磁感應(yīng)

當直流電流通過長直導體時，會在其周圍產(chǎn)生磁化力和靜態(tài)磁場

電磁感應(yīng)利用電與磁之間的關(guān)系，即通過單根導線的電流會在其周圍產(chǎn)生磁場。如果將導線繞成線圈，磁場會大大增強，在線圈周圍形成一個靜態(tài)磁場，形狀類似于條形磁鐵，具有明顯的北極和南極。

空心電磁線圈

空心線圈

線圈周圍產(chǎn)生的磁通量與線圈繞組中流動的電流量成正比，如圖所示。如果在同一線圈上繞上額外的導線層，并且相同的電流通過它們，靜態(tài)磁場強度將會增加。

因此，線圈的磁場強度由線圈的安培匝數(shù)決定。線圈中的導線匝數(shù)越多，其周圍的靜態(tài)磁場強度越大。

但是，如果我們反轉(zhuǎn)這個想法，斷開線圈的電流，并在線圈的核心中放置一個條形磁鐵，而不是空心核心。通過將這個條形磁鐵“移入”和“移出”線圈，磁通量的物理運動會在線圈中感應(yīng)出電流。

同樣，如果我們保持條形磁鐵靜止，并在磁場中來回移動線圈，線圈中也會感應(yīng)出電流。然后，通過移動導線或改變磁場，我們可以在線圈中感應(yīng)出電壓和電流，這個過程被稱為電磁感應(yīng)，是變壓器、電動機和發(fā)電機的基本工作原理。電磁感應(yīng)最早由邁克爾·法拉第在19世紀30年代發(fā)現(xiàn)。法拉第注意到，當他將永磁體移入和移出線圈或單圈導線時，會感應(yīng)出電動勢（emf），換句話說，會產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生電流。

因此，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了一種僅通過磁場的力而不使用電池在電路中產(chǎn)生電流的方法。這導致了一個非常重要的定律，將電與磁聯(lián)系起來，即法拉第電磁感應(yīng)定律。那么這是如何工作的呢？

當下面所示的磁鐵“朝向”線圈移動時，檢流計（基本上是一個非常靈敏的中心零位動圈電流表）的指針或針將僅在一個方向上偏離其中心位置。當磁鐵停止移動并相對于線圈保持靜止時，檢流計的指針返回到零，因為磁場沒有物理運動。

同樣，當磁鐵“遠離”線圈向另一個方向移動時，檢流計的指針相對于第一次指示的極性變化向相反方向偏轉(zhuǎn)。然后，通過將磁鐵來回移向線圈，檢流計的指針將根據(jù)磁鐵的運動方向向左或向右偏轉(zhuǎn)，正或負。

通過移動磁鐵進行電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)

同樣，如果磁鐵現(xiàn)在保持靜止，并且只有線圈向磁鐵移動或遠離磁鐵，檢流計的指針也會向任一方向偏轉(zhuǎn)。然后，通過磁場移動線圈或?qū)Ь€環(huán)的動作會在線圈中感應(yīng)出電壓，感應(yīng)電壓的大小與運動的速度或速率成正比。

然后我們可以看到，磁場運動得越快，線圈中感應(yīng)的電動勢或電壓就越大，因此法拉第定律要成立，線圈和磁場之間必須存在“相對運動”或運動，磁場、線圈或兩者都可以移動。

法拉第感應(yīng)定律

從上述描述中我們可以說，電壓與變化的磁場之間存在關(guān)系，邁克爾·法拉第著名的電磁感應(yīng)定律指出：“每當導體和磁場之間存在相對運動時，電路中就會感應(yīng)出電壓，并且該電壓的大小與磁通量的變化率成正比”。

換句話說，電磁感應(yīng)是利用磁場產(chǎn)生電壓的過程，在閉合電路中產(chǎn)生電流。

那么僅使用磁力可以在線圈中感應(yīng)出多少電壓（電動勢）呢？這由以下三個不同的因素決定。

1). 增加線圈中的導線匝數(shù)——通過增加切割磁場的單個導體的數(shù)量，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢將是線圈所有單個環(huán)的總和，因此如果線圈中有20匝，感應(yīng)電動勢將比單根導線多20倍。

2). 增加線圈和磁鐵之間的相對運動速度——如果相同的線圈通過相同的磁場，但其速度或速率增加，導線將以更快的速率切割磁力線，因此會產(chǎn)生更多的感應(yīng)電動勢。

3). 增加磁場的強度——如果相同的線圈以相同的速度通過更強的磁場移動，由于有更多的磁力線切割，將產(chǎn)生更多的電動勢。

如果我們能夠以恒定的速度和距離將上圖所示的磁鐵移入和移出線圈而不停止，我們將產(chǎn)生一個連續(xù)的感應(yīng)電壓，該電壓將在正極性和負極性之間交替變化，產(chǎn)生交流或AC輸出電壓，這是發(fā)電機工作原理的基本原理，類似于用于發(fā)電機和汽車交流發(fā)電機的原理。

在小型發(fā)電機（如自行車發(fā)電機）中，一個小型永磁體通過自行車車輪的作用在固定線圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)。或者，由固定直流電壓供電的電磁鐵可以在固定線圈內(nèi)旋轉(zhuǎn)，例如在大型發(fā)電機中，這兩種情況下都會產(chǎn)生交流電。

使用磁感應(yīng)的簡單發(fā)電機

電磁感應(yīng)發(fā)電機

上面的簡單發(fā)電機由一個永磁體組成，該永磁體圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)，線圈放置在旋轉(zhuǎn)磁場旁邊。當磁鐵旋轉(zhuǎn)時，線圈頂部和底部周圍的磁場不斷在北極和南極之間變化。磁場的這種旋轉(zhuǎn)運動導致在線圈中感應(yīng)出交流電動勢，如法拉第電磁感應(yīng)定律所定義。

電磁感應(yīng)的大小與磁通密度β成正比，環(huán)的數(shù)量給出導體的總長度l（以米為單位），以及磁場在導體內(nèi)的變化速率或速度ν（以米/秒或m/s為單位），由動生電動勢表達式給出：

法拉第動生電動勢表達式

法拉第感應(yīng)電動勢電壓

如果導體不以直角（90°）移動通過磁場，則角度θ°將添加到上述表達式中，隨著角度的增加，輸出減少：

非直角的電動勢電壓楞次電磁感應(yīng)定律

法拉第定律告訴我們，通過在磁場中移動導體或?qū)⒋艌鲆七^導體，可以在導體中感應(yīng)出電壓，并且如果該導體是閉合電路的一部分，電流將流動。該電壓稱為感應(yīng)電動勢，因為它是由變化的磁場通過電磁感應(yīng)感應(yīng)到導體中的，法拉第定律中的負號告訴我們感應(yīng)電流的方向（或感應(yīng)電動勢的極性）。

但是，變化的磁通量會在線圈中產(chǎn)生變化的電流，正如我們在電磁鐵教程中看到的，這本身會產(chǎn)生自己的磁場。這種自感電動勢反對引起它的變化，電流變化得越快，反對的電動勢就越大。這種自感電動勢根據(jù)楞次定律反對線圈中電流的變化，并且由于其方向，這種自感電動勢通常稱為反電動勢。

楞次定律指出：“感應(yīng)電動勢的方向總是反對引起它的變化”。換句話說，感應(yīng)電流總是反對最初引起感應(yīng)電流的運動或變化，這個想法在電感分析中被發(fā)現(xiàn)。

同樣，如果磁通量減少，則感應(yīng)電動勢將通過產(chǎn)生并感應(yīng)磁通量來反對這種減少，該磁通量添加到原始磁通量中。

楞次定律是電磁感應(yīng)中確定感應(yīng)電流流動方向的基本定律之一，并且與能量守恒定律有關(guān)。

根據(jù)能量守恒定律，宇宙中的總能量將始終保持恒定，因為能量不能被創(chuàng)造或破壞。楞次定律是從邁克爾·法拉第的感應(yīng)定律推導出來的。

關(guān)于楞次定律在電磁感應(yīng)中的最后一點評論。我們現(xiàn)在知道，當導體和磁場之間存在相對運動時，導體中會感應(yīng)出電動勢。

但導體實際上可能不是線圈電路的一部分，而可能是線圈的鐵芯或系統(tǒng)的其他金屬部分，例如變壓器。系統(tǒng)中金屬部分內(nèi)的感應(yīng)電動勢會導致循環(huán)電流在其周圍流動，這種類型的核心電流稱為渦流。

由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流在線圈核心或磁場內(nèi)的任何連接金屬部件周圍循環(huán)，因為對于磁通量，它們就像單圈導線一樣。渦流對系統(tǒng)的有用性沒有任何貢獻，而是通過像負力一樣反對感應(yīng)電流的流動，在核心內(nèi)產(chǎn)生電阻加熱和功率損耗。然而，在某些電磁感應(yīng)爐應(yīng)用中，僅使用渦流來加熱和熔化鐵磁金屬

變壓器中的渦流循環(huán)

渦流

上面變壓器鐵芯中的變化磁通量不僅會在初級和次級繞組中感應(yīng)出電動勢，還會在鐵芯中感應(yīng)出電動勢。鐵芯是良好的導體，因此固體鐵芯中感應(yīng)的電流會很大。此外，渦流流動的方向根據(jù)楞次定律會削弱初級線圈產(chǎn)生的磁通量。因此，初級線圈中產(chǎn)生給定B場所需的電流增加，因此磁滯曲線沿H軸變寬。

鐵芯分層

鐵芯分層

渦流和磁滯損耗不能完全消除，但可以大大減少。變壓器或線圈的磁芯材料不是實心鐵芯，而是“分層”的磁路。

這些分層是非常薄的絕緣（通常用清漆）金屬條，連接在一起形成實心核心。分層增加了鐵芯的電阻，從而增加了對渦流流動的總電阻，因此核心中的感應(yīng)渦流功率損耗減少，這就是為什么變壓器和電機的磁路都是分層的原因。