吳 宏

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一,揭示了電與磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的重要方面。它的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)上和技術(shù)上都具有劃時代的意義。它不僅豐富了人類對于電磁現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識,推動了電磁學(xué)理論的發(fā)展,而且在實踐上開拓了廣泛應(yīng)用的前途。在電工技術(shù)中,運用電磁感應(yīng)原理制造的發(fā)電機、感應(yīng)電動機和變壓器等電器設(shè)備為充分而方便地利用自然界的能源提供了條件,在電子技術(shù)中,廣泛地采用電感元件來控制電壓或電流的分配、發(fā)射、接收和傳輸電磁信號;在電磁測量中,除了許多重要電磁量的測量直接應(yīng)用電磁感應(yīng)原理外,一些非電磁量也可用之轉(zhuǎn)換成電磁量來測量,從而發(fā)展了多種自動化儀表。

電磁感應(yīng)定律

1820年,奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次提示了電流能夠產(chǎn)生磁,從而開辟了一個全新的研究領(lǐng)域。當(dāng)時不少物理學(xué)家想到:既然電能產(chǎn)生磁,磁是否也能產(chǎn)生電?然而他們或者是因為固守著穩(wěn)恒的磁能產(chǎn)生電的成見,或者是因為工作不夠細(xì)致,實驗都失敗了。法拉第開始也是這樣想的,實驗沒有成功。但他善于抓住新事物的苗頭,堅信磁能夠產(chǎn)生電,并以他精湛的實驗技巧和敏銳地捕捉現(xiàn)象的能力,經(jīng)過十年不懈的努力,終于在1831年8月29日第一次觀察到電流變化時產(chǎn)生的感應(yīng)現(xiàn)象。緊接著,他做了一系列實驗,用來產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和決定感應(yīng)電流的因素,揭示了感應(yīng)現(xiàn)象的奧秘。雖然他沒有用數(shù)學(xué)公式將他的研究成果表達(dá)出來(電磁感應(yīng)的數(shù)學(xué)公式是1845年諾埃曼給出的),但他對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的豐富研究,這一發(fā)現(xiàn)的榮譽歸功于他是當(dāng)之無愧的。

法拉第是一個非常善于深入思考的人,他對電學(xué)的研究有著多方面的貢獻(xiàn),但他并不局限于就事論事研究,而是根據(jù)自己的研究深入挖掘現(xiàn)象背后的本質(zhì),從而形成了他特有的場的觀念,向當(dāng)時居統(tǒng)治地位的“超距作用”觀念發(fā)起了挑戰(zhàn),并最終為電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一理論準(zhǔn)備了條件。他用描述磁極之間和帶電體之間相互作用的“力線”來表達(dá)他的場觀念。這些力線在空間是一些曲線,而不是聯(lián)接磁極和聯(lián)接帶電體的直線,因此,他指出磁的或電的相互作用就不會是超距作用觀點所想象的那種直接作用。他研究了在帶電體之間插入電介質(zhì)對帶電體之間電力強度的影響,認(rèn)為這種影響表明電力的作用不可能是超越空間的直接作用;同樣的效應(yīng)在磁現(xiàn)象中也發(fā)生。他根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象指出,僅有導(dǎo)線的運動不足以產(chǎn)生電流,磁鐵周圍必定存在某種“狀態(tài)”,導(dǎo)線就是在其區(qū)域內(nèi)運動才產(chǎn)生感應(yīng)電流。此外,他對磁光效應(yīng)(偏振光振動面的磁致旋轉(zhuǎn))的研究,使他相信光和電磁現(xiàn)象有某種聯(lián)系。他甚至猜測磁效應(yīng)的傳播速度可能與光的傳播速度有相同的量級。這些思想構(gòu)成了他的場觀念的基礎(chǔ)。

雖然法拉第的場觀念帶有機械論的性質(zhì),某些具體的觀點也有不適之處。但是,他的新穎的場觀念強烈地吸引青年的麥克斯韋致力于將法拉第的觀念寫成便于數(shù)學(xué)處理的形式,終于導(dǎo)致麥克斯韋方程組的建立。

電磁感應(yīng)的表述及楞次定律如下:

一、閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁力線運動時,導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng),產(chǎn)生的電流叫做感生電流。如果導(dǎo)體不閉合,導(dǎo)體在做切割磁力線的運動時,只會產(chǎn)生感生電壓。

二、1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象:穿過某一回路的磁通量發(fā)生變化時,在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。

引起磁通量變化的兩種基本方法:(1)閉合回路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線的運動。(2)回路內(nèi)磁場隨時間變化,簡稱“回路φ變?！?/p>

2.感應(yīng)電動勢的方向

“一段切割”— 用右手定則判斷。

“回路φ變”— 用楞次定律判斷。

楞次定律:感應(yīng)電流的方向,總是使感應(yīng)電流的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

3.感應(yīng)電動勢的大小

“一段切割”:ε=BLvsinα,式中α為B與v的夾角。

“回路φ變”:用法拉第電磁感應(yīng)定律求解。

法拉第電磁感應(yīng)定律:電路中的感應(yīng)電動勢的大小跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ε=NΔφΔt

式中N為線圈匝數(shù)。此式求電動勢的平均值。

4.自感現(xiàn)象:由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

自感電動勢的大小:ε= LΔI/Δt,式中L為自感系數(shù),單位是亨。

自感電動勢的方向總是阻礙線圈中原來電流的變化。

三、感應(yīng)電動勢的大小與回路內(nèi)磁通變化率有關(guān)?？捎霉奖硎救缦?

ε=dφdt

式中dφdt是環(huán)形導(dǎo)體內(nèi)磁通對時間的變化率。為了使感應(yīng)電動勢的方向反映到公式里,一般將公式寫成

ε= -dφdt

公式中加負(fù)號的意義如下:我們規(guī)定閉合回路內(nèi)由感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通與穿過回路的原磁通同方向時的感應(yīng)電動勢為正值,反之為負(fù)值。根據(jù)楞次定律,當(dāng)原來磁通增加時,這兩個磁通反方向,感應(yīng)電動勢應(yīng)為負(fù)值。但在原磁通增多時,從數(shù)學(xué)上看dφ應(yīng)為正值,所以要在公式中加一個負(fù)號。同理也可說明在原磁通減少時的情況。

以上三種表述適用于不同學(xué)段的學(xué)生,由淺入深,由定性到定量,由粗略到精細(xì)。可見,同樣是關(guān)于電磁感應(yīng),在不同的教學(xué)階段,對學(xué)生的表述卻是不同的。這主要是為了讓學(xué)生能適當(dāng)?shù)乩斫庀嚓P(guān)內(nèi)容,是教學(xué)的需要,也就是因材施教吧。

電磁感應(yīng)的常見應(yīng)用是發(fā)電機和日光燈中的啟輝器,它為人們的電氣生活作出了貢獻(xiàn)。自感現(xiàn)象在各種電器設(shè)備和無線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。日光燈的鎮(zhèn)流器就是利用線圈自感現(xiàn)象的一個例子。