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電磁感應(yīng)定律
紐曼和韋伯提出的電磁學(xué)定律
電磁感應(yīng)定律也叫法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象，例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動(dòng)勢（電壓）稱為感應(yīng)電動(dòng)勢。
電磁感應(yīng)定律中電動(dòng)勢的方向可以通過楞次定律或右手定則來確定。右手定則內(nèi)容：伸平右手使姆指與四指垂直，手心向著磁場的N極，姆指的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向一致，四指所指的方向即為導(dǎo)體中感應(yīng)電流的方向（感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與感應(yīng)電流的方向相同）。楞次定律指出：感應(yīng)電流的磁場要阻礙原磁通的變化。簡而言之，就是磁通量變大，產(chǎn)生的電流有讓其變小的趨勢；而磁通量變小，產(chǎn)生的電流有讓其變大的趨勢。
感應(yīng)電動(dòng)勢的大小由法拉第電磁感應(yīng)定律確定；e(t) = -n(dΦ)/(dt)。對(duì)動(dòng)生的情況也可用E=BLV來求。
基本信息
| 中文名 | 電磁感應(yīng)定律 |
| 外文名 | Faraday law of electromagnetic induction |
| 別名 | 法拉第電磁感應(yīng)定律 |
| 表達(dá)式 | e=-n(dΦ)/(dt) |
| 提出者 | 紐曼和韋伯 |
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發(fā)現(xiàn)歷程
法拉第定律最初是一條基于觀察的實(shí)驗(yàn)定律。后來被正式化，其偏導(dǎo)數(shù)的限制版本，跟其他的電磁學(xué)定律一塊被列麥克斯韋方程組的現(xiàn)代赫維賽德版本。
法拉第電磁感應(yīng)定律是基于法拉第于1831年所作的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)效應(yīng)被約瑟·亨利于大約同時(shí)發(fā)現(xiàn)，但法拉第的發(fā)表時(shí)間較早。
俄國物理學(xué)家海因里希·楞次（H.F.E.Lenz，1804-1865）在概括了大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)后，總結(jié)出一條判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，稱為楞次定律（Lenz law ）。
提出問題
研究
1824年，阿拉果根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象做了銅盤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的銅盤會(huì)帶動(dòng)上方自由懸掛的磁針旋轉(zhuǎn)，但磁針的旋轉(zhuǎn)與銅盤不同步。稍滯后，電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)是最早發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但由于沒有直接表現(xiàn)為感應(yīng)電流，當(dāng)時(shí)未能予以說明。
定律提出
1831年8月，法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個(gè)線圈，其一為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。法拉第立即意識(shí)到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應(yīng)。緊接著他做了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為5 類：變化的電流，變化的磁場，運(yùn)動(dòng)的恒定電流，運(yùn)動(dòng)的磁鐵，在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，并把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。進(jìn)而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比，他由此認(rèn)識(shí)到，感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢依然存在。
后來，確定感應(yīng)電流方向的楞次定律以及描述電磁感應(yīng)定量規(guī)律的法拉第電磁感應(yīng)定律被給出。（其公式并非法拉第親自給出）并按產(chǎn)生原因的不同，把感應(yīng)電動(dòng)勢分為動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢兩種，前者起源于洛倫茲力，后者起源于變化磁場產(chǎn)生的有旋電場。
區(qū)分
電磁感應(yīng)現(xiàn)象不應(yīng)與靜電感應(yīng)混淆。電磁感應(yīng)將電動(dòng)勢與通過電路的磁通量聯(lián)系起來，而靜電感應(yīng)則是使用另一帶電荷的物體使物體產(chǎn)生電荷的方法。
定理基本內(nèi)容
法拉第的實(shí)驗(yàn)表明，不論用什么方法，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有電流產(chǎn)生。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。
法拉第根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出了如下定律：
電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比，若感應(yīng)電動(dòng)勢用
表示，則
，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。
若閉合電路為一個(gè)n匝的線圈，則又可表示為：
。式中，n為線圈匝數(shù)，
為磁通量變化量，單
位，
為發(fā)生變化所用時(shí)間，單位為s，為產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，單位為V。
感應(yīng)電動(dòng)勢的大小計(jì)算公式：
（1）其中，為產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量，為發(fā)生變化所用時(shí)間；
（2）
，導(dǎo)線作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)適用，其中，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度、L導(dǎo)體長度、V是切割磁感線運(yùn)動(dòng)的速度，
是 V和 B方向的夾角，
磁通量計(jì)算公式：
方向判斷：
感應(yīng)電動(dòng)勢的正負(fù)極可利用感應(yīng)電流方向判定，電源內(nèi)部的電流方向：由負(fù)極流向正極。
感應(yīng)電流
感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件：
1．電路是閉合且通的；
2．穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。
（若缺少一個(gè)條件，就不會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生）。
感應(yīng)電動(dòng)勢
要使閉合電路中有電流，這個(gè)電路中必須有電源，因?yàn)殡娏魇怯呻娫吹碾妱?dòng)勢引起的。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象里，既然閉合電路里有感應(yīng)電流，那么這個(gè)電路中也必定有電動(dòng)勢，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢叫做感應(yīng)電動(dòng)勢，常用符號(hào)E表示。
感應(yīng)電動(dòng)勢的種類分為動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢。
動(dòng)生電動(dòng)勢
動(dòng)生電動(dòng)勢是因?yàn)?/span>導(dǎo)體自身在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，其方向用右手定則判斷，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，則其余四指指向動(dòng)生電動(dòng)勢的方向。動(dòng)生電動(dòng)勢的方向與產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相同。右手定則確定的動(dòng)生電動(dòng)勢的方向符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。
理論和實(shí)踐表明，長度為l的導(dǎo)體，以速度v在此感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中做切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在
互相垂直的情況下，導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小為：
，式中的單位均應(yīng)采用國際單位制，即伏特、特斯拉、米/每秒。
當(dāng)一段導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場中做勻速切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論電路是否閉合，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體長度L、切割速度v及 v和 B方向的夾角 的正弦值成正比，即
感生電動(dòng)勢
感生電動(dòng)勢是因?yàn)榇┻^閉合線圈的磁場強(qiáng)度發(fā)生變化產(chǎn)生渦旋電場導(dǎo)致電流定向運(yùn)動(dòng)，其方向符合楞次定律。右手拇指指向磁場變化的反方向，四指握拳，四指方向即為感應(yīng)電動(dòng)勢方向。
感生電動(dòng)勢的大小跟穿過閉合電路的磁通量改變的快慢有關(guān)系，大小為：
當(dāng)穿過某一不閉合線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中雖無感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動(dòng)勢依舊存在。
在導(dǎo)體棒不切割磁感線時(shí)，但閉合回路中有磁通量變化時(shí)，同樣能產(chǎn)生感應(yīng)電流。
意義
電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義在于，一方面，依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機(jī)，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都有廣泛的應(yīng)用。人類社會(huì)從此邁進(jìn)了電氣化時(shí)代。
評(píng)價(jià)
有些物理學(xué)家注意到法拉第定律是一條描述兩種現(xiàn)象的方程：由磁力在移動(dòng)中的電線中產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢，及由磁場轉(zhuǎn)變而成的電力所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢。
就像理查德費(fèi)曼指出的那樣：
所謂“通量定則”，指出電路中電動(dòng)勢等于通過電路的磁通量變化率的，同樣適用于通量不變化的時(shí)候，這是因?yàn)閳鲇凶兓蚴且驗(yàn)殡娐芬苿?dòng)（或兩者皆是）……但是在我們對(duì)定則的解釋里，我們用了兩個(gè)屬于完全不同個(gè)案的定律：“電路運(yùn)動(dòng)”的和“場變化”的。
我們不知道在物理學(xué)上還有其他地方，可以用到一條如此簡單且準(zhǔn)確的通用原理，來明白及分析兩個(gè)不同的現(xiàn)象。
應(yīng)用
發(fā)電機(jī)
由法拉第電磁感應(yīng)定律因電路及磁場的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的電動(dòng)勢，是發(fā)電機(jī)背后的根本現(xiàn)象。當(dāng)永久性磁鐵相對(duì)于一導(dǎo)電體運(yùn)動(dòng)時(shí)（反之亦然），就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢。如果電線這時(shí)連著電負(fù)載的話，電流就會(huì)流動(dòng)，并因此產(chǎn)生電能，把機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變成電能。例如，鼓輪發(fā)電機(jī)。另一種實(shí)現(xiàn)這種構(gòu)想的發(fā)電機(jī)就是法拉第碟片
變壓器
法拉第定律所預(yù)測的電動(dòng)勢，同時(shí)也是變壓器的運(yùn)作原理。當(dāng)線圈中的電流轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)變中的電流生成一轉(zhuǎn)變中的磁場。在磁場作用范圍中的第二條電線，會(huì)感受到磁場的轉(zhuǎn)變，于是自身的耦合磁通量也會(huì)轉(zhuǎn)變
。因此，第二個(gè)線圈內(nèi)會(huì)有電動(dòng)勢，這電動(dòng)勢被稱為感應(yīng)電動(dòng)勢或變壓器電動(dòng)勢。如果線圈的兩端是連接著一個(gè)電負(fù)載的話，電流就會(huì)流動(dòng)。
電磁流量計(jì)
法拉第定律可被用于量度導(dǎo)電液體或等離子體狀物的流動(dòng)，這樣一個(gè)儀器被稱為電磁流量計(jì)。
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