讨论电磁感应

2010-01-08 05:27:12 北大荒文学 2009年12期

吴 宏

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一,揭示了电与磁相互联系和转化的重要方面。它的发现在科学上和技术上都具有划时代的意义。它不仅丰富了人类对于电磁现象本质的认识,推动了电磁学理论的发展,而且在实践上开拓了广泛应用的前途。在电工技术中,运用电磁感应原理制造的发电机、感应电动机和变压器等电器设备为充分而方便地利用自然界的能源提供了条件,在电子技术中,广泛地采用电感元件来控制电压或电流的分配、发射、接收和传输电磁信号;在电磁测量中,除了许多重要电磁量的测量直接应用电磁感应原理外,一些非电磁量也可用之转换成电磁量来测量,从而发展了多种自动化仪表。

电磁感应定律

1820年,奥斯特的发现第一次提示了电流能够产生磁,从而开辟了一个全新的研究领域。当时不少物理学家想到:既然电能产生磁,磁是否也能产生电?然而他们或者是因为固守着稳恒的磁能产生电的成见,或者是因为工作不够细致,实验都失败了。法拉第开始也是这样想的,实验没有成功。但他善于抓住新事物的苗头,坚信磁能够产生电,并以他精湛的实验技巧和敏锐地捕捉现象的能力,经过十年不懈的努力,终于在1831年8月29日第一次观察到电流变化时产生的感应现象。紧接着,他做了一系列实验,用来产生感应电流的条件和决定感应电流的因素,揭示了感应现象的奥秘。虽然他没有用数学公式将他的研究成果表达出来(电磁感应的数学公式是1845年诺埃曼给出的),但他对电磁感应现象的丰富研究,这一发现的荣誉归功于他是当之无愧的。

法拉第是一个非常善于深入思考的人,他对电学的研究有着多方面的贡献,但他并不局限于就事论事研究,而是根据自己的研究深入挖掘现象背后的本质,从而形成了他特有的场的观念,向当时居统治地位的“超距作用”观念发起了挑战,并最终为电磁现象的统一理论准备了条件。他用描述磁极之间和带电体之间相互作用的“力线”来表达他的场观念。这些力线在空间是一些曲线,而不是联接磁极和联接带电体的直线,因此,他指出磁的或电的相互作用就不会是超距作用观点所想象的那种直接作用。他研究了在带电体之间插入电介质对带电体之间电力强度的影响,认为这种影响表明电力的作用不可能是超越空间的直接作用;同样的效应在磁现象中也发生。他根据电磁感应现象指出,仅有导线的运动不足以产生电流,磁铁周围必定存在某种“状态”,导线就是在其区域内运动才产生感应电流。此外,他对磁光效应(偏振光振动面的磁致旋转)的研究,使他相信光和电磁现象有某种联系。他甚至猜测磁效应的传播速度可能与光的传播速度有相同的量级。这些思想构成了他的场观念的基础。

虽然法拉第的场观念带有机械论的性质,某些具体的观点也有不适之处。但是,他的新颖的场观念强烈地吸引青年的麦克斯韦致力于将法拉第的观念写成便于数学处理的形式,终于导致麦克斯韦方程组的建立。

电磁感应的表述及楞次定律如下:

一、闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线运动时,导体中就会产生电流。这种现象叫做电磁感应,产生的电流叫做感生电流。如果导体不闭合,导体在做切割磁力线的运动时,只会产生感生电压。

二、1.电磁感应现象:穿过某一回路的磁通量发生变化时,在回路中产生感应电动势的现象。

引起磁通量变化的两种基本方法:(1)闭合回路的一部分导体在磁场中做切割磁力线的运动。(2)回路内磁场随时间变化,简称“回路φ变。”

2.感应电动势的方向

“一段切割”— 用右手定则判断。

“回路φ变”— 用楞次定律判断。

楞次定律:感应电流的方向,总是使感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

3.感应电动势的大小

“一段切割”:ε=BLvsinα,式中α为B与v的夹角。

“回路φ变”:用法拉第电磁感应定律求解。

法拉第电磁感应定律:电路中的感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。数学表达式为

ε=NΔφΔt

式中N为线圈匝数。此式求电动势的平均值。

4.自感现象:由于导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象。

自感电动势的大小:ε= LΔI/Δt,式中L为自感系数,单位是亨。

自感电动势的方向总是阻碍线圈中原来电流的变化。

三、感应电动势的大小与回路内磁通变化率有关。可用公式表示如下:

ε=dφdt

式中dφdt是环形导体内磁通对时间的变化率。为了使感应电动势的方向反映到公式里,一般将公式写成

ε= -dφdt

公式中加负号的意义如下:我们规定闭合回路内由感应电流所产生的磁通与穿过回路的原磁通同方向时的感应电动势为正值,反之为负值。根据楞次定律,当原来磁通增加时,这两个磁通反方向,感应电动势应为负值。但在原磁通增多时,从数学上看dφ应为正值,所以要在公式中加一个负号。同理也可说明在原磁通减少时的情况。

以上三种表述适用于不同学段的学生,由浅入深,由定性到定量,由粗略到精细。可见,同样是关于电磁感应,在不同的教学阶段,对学生的表述却是不同的。这主要是为了让学生能适当地理解相关内容,是教学的需要,也就是因材施教吧。

电磁感应的常见应用是发电机和日光灯中的启辉器,它为人们的电气生活作出了贡献。自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用。日光灯的镇流器就是利用线圈自感现象的一个例子。