常穎

（東營(yíng)市勝利第一中學(xué)，山東東營(yíng)，257000）

1 電磁感應(yīng)定律概述

電磁感應(yīng)定律是高中物理電磁學(xué)部分的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第通過實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)，俄國(guó)物理學(xué)家楞次隨后總結(jié)出判斷電流方向的楞次定律，后人在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將電磁感應(yīng)定律定量化、正式化。

1.1 公式推導(dǎo)

廣義上，電磁感應(yīng)定律定義為：磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁通量的變化主要有兩種方式，一是改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，二是改變截面積，因此磁通量的公式為,,因此電磁感應(yīng)定律的公式為：

帶入磁通量公式可得：

對(duì)上式求導(dǎo)可得

假設(shè)回路在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，那么所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：E=BLVsinθ ,如果是轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，則電動(dòng)勢(shì)大小為：。

為方便學(xué)習(xí)，高中物理課本中把線圈匝數(shù)為n的線圈理解為n個(gè)單匝線圈的串聯(lián)，因此電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈匝數(shù)成正比；同時(shí)電動(dòng)勢(shì)與真空磁導(dǎo)率μ也成正比關(guān)系。

2 電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用

電磁感應(yīng)定律定量化描述電與磁之間的關(guān)系，在電磁感應(yīng)定律的指導(dǎo)下，發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)的電氣設(shè)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(huì)由此進(jìn)入電氣文明的時(shí)代，時(shí)至今日，該定律依然煥發(fā)著無(wú)窮的生命力。

2.1 電磁感應(yīng)定律在手機(jī)無(wú)線充電中的應(yīng)用

當(dāng)前智能手機(jī)已全面普及，各類手機(jī)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(yīng)用導(dǎo)致了手機(jī)電池電量消耗極快，因此需要頻繁為手機(jī)進(jìn)行充電，傳統(tǒng)的充電方式是有線充電，對(duì)于需要頻繁充電的智能手機(jī)，有線充電有諸多不方便的地方，因此無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用而生，無(wú)線充電技術(shù)的核心還是利用電磁感應(yīng)定律。

手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是磁場(chǎng)源與感應(yīng)源要設(shè)計(jì)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(yīng)，高頻交變電流產(chǎn)生穩(wěn)定變化的磁場(chǎng)，將手機(jī)放置于充電底座上即意味著手機(jī)處在穩(wěn)定變化的磁場(chǎng)中，此時(shí)手機(jī)內(nèi)設(shè)有磁感應(yīng)線圈，由于環(huán)境中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，因此手機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將手機(jī)內(nèi)的線路閉合就會(huì)在內(nèi)置回路中形成穩(wěn)定電流，繼而實(shí)現(xiàn)手機(jī)充電。

無(wú)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(jī)無(wú)線充電技術(shù)的核心是控制交變電流的變化頻率，否則就會(huì)出現(xiàn)充電效率低或者安全等情況。

2.2 電磁感應(yīng)定律在電磁爐中的應(yīng)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(diǎn)，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(yùn)用了電磁感應(yīng)定律，電路接通之后首先需要進(jìn)行調(diào)頻，調(diào)頻的過程相對(duì)復(fù)雜，220V50Hz的交流市電會(huì)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(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，此時(shí)烹飪器具就出在交變磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)實(shí)際上是切割磁感線，進(jìn)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(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中互相碰撞、摩擦，烹飪器具迅速升溫，從而實(shí)現(xiàn)烹飪的目的。

現(xiàn)實(shí)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?zhàn)鳛榕腼兤骶?；同時(shí)將電磁爐內(nèi)的負(fù)荷電流耗設(shè)計(jì)為PWM占空比的形式，通過電磁爐內(nèi)置單片機(jī)調(diào)節(jié)占空比進(jìn)而控制電磁爐功率。

2.3 電磁感應(yīng)定律在儀表顯示中的應(yīng)用

在各類儀表控制中，電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用也非常廣泛，典型代表是在汽車車速儀表中的應(yīng)用，汽車車速儀表的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)離磁極的空間磁感線就少，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)永久磁鐵進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)前方，磁感線數(shù)量增加，轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于線路閉合，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，因此感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生的方向相反，因此轉(zhuǎn)動(dòng)前方二者磁場(chǎng)相反，轉(zhuǎn)動(dòng)后方，二者的磁感線方向一致，二者互相吸引，速度盤正因?yàn)樵撐饔枚S著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速與車輛行駛速度成正比，驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速不同，則感應(yīng)電流的強(qiáng)度就不同，速度盤的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度也不相同，為了將指針根據(jù)實(shí)時(shí)速度進(jìn)行標(biāo)示，需要設(shè)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(dòng)速度盤的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)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(shí)現(xiàn)速度指示的目標(biāo)。

圖1 速度表結(jié)構(gòu)圖

2.4 電磁感應(yīng)定律在發(fā)電中的應(yīng)用

電是當(dāng)前人類社會(huì)最主要的能源形式，電磁感應(yīng)定律從理論的高度點(diǎn)明了電磁之間的關(guān)系，為人類社會(huì)邁入電氣文明時(shí)代鋪平了道路，當(dāng)前國(guó)際能源形勢(shì)嚴(yán)峻，各類新能源層出不窮，探究將風(fēng)能、潮汐能等新能源轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)一直都是學(xué)術(shù)界、企業(yè)技術(shù)人員的研究重點(diǎn)，在這其中，電磁感應(yīng)定律仍然扮演著非常重要的角色，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)中，首先產(chǎn)生能夠互相進(jìn)行電磁感應(yīng)的磁場(chǎng)與交變電流，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)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(lì)磁電流通過滑環(huán)傳遞給轉(zhuǎn)子，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的，定子實(shí)際上在做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

風(fēng)力發(fā)電因其綠色環(huán)保的特性而被國(guó)家所大力提倡，風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)吹過葉片在葉片正反面形成壓力差，壓力差導(dǎo)致葉片上升，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度偏慢，遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)發(fā)電所需要的轉(zhuǎn)速，因此需要設(shè)置齒輪箱進(jìn)行調(diào)速（主要是增速），增速之后的轉(zhuǎn)速達(dá)到1500轉(zhuǎn)/min，由此帶動(dòng)發(fā)電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)內(nèi)的定子繞組做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大輸出一般為500-1500千瓦。目前我國(guó)的風(fēng)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(fēng)力發(fā)電場(chǎng)出具規(guī)模，風(fēng)力發(fā)電不涉及燃料、輻射及污染問題，未來(lái)將會(huì)在我國(guó)的能源格局中占據(jù)重要地位。

3 結(jié)論

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