《家电维修基础》2-3 电磁感应

2017年3月3日14:21:33 评论 21,220 2527字阅读8分25秒

§2—3 电磁感应

电和磁是可以互相转化的。在一定条件下,电流能够产生磁场;同样,磁场也能使导线中产生电流。:磁转化为电的现象叫做电磁感应。

一、电磁感应现象

为了研究电磁感应现象,先做两个实验。

实验一:将直导线AB放在磁场中,它的两端与检流计连接构成闭合回路,如图2-6所示。当导线向右移动垂直切割磁感应线时,检流计指针偏转,如图2-9a所示,表示导线中有电流产生;导线向左方垂直移动切割磁感应线时,检流计指针也发生偏转,但方向与前面的相反;如图2-9b所示。

导体不动,没有切割磁感应线时,检流计指针无偏转,说明导线中没有电流。通过实验可以看到,导线的移动速度越快,检流计指针偏转越大,即电流越大。

实验二:将线圈的两端与一个检流计连接而构成闭合回路,如图2-10所示。

当条形磁铁插入线圈瞬间,线圈中的磁通量增加,检流计指针向右偏转。如图2—10a所示,说明线圈中磁通发生变化,线圈中有电流出现。若把条形磁铁从线圈中拔出,在拔出瞬间,检流计指针向相反方向偏转,说明线圈中磁通也发生变化,线圈中也有电流出现,如图2-10b所示。当条形磁铁在线圈中停止运动时,检流计指针无偏转,线圈中磁通没有变化,线圈中也没有电流。如果条形磁铁插人或拔出的速度越快,即磁通量变化得越快,则检流计指针偏转越大,反之,检流计指针偏转越小。

上述两个实验说明,无论是直导线在磁场中作切割磁感应线运动,还是磁铁对线圈作相对运动,都是由于运动使得穿过(直导线或线圈组成的)闭合回路中的磁通量发生了改变,因而在直导线或线圈中产生电动势。若直导线或线圈构成回路,则直导线或线圈中将有电流出现。回路中磁通量的变化是导致直导线或线圈中产生电动势的根本原因,即“动磁生电”。磁通量的变化越大,产生的电动势越大。

因磁通变化而在直导线或线圈中产生电动势的现象,叫做电磁感应。由电磁感应产生的电动势叫做感应电动势。由感应电动势在闭合电路形成的电流,叫做感应电流。

二、法拉第定律

从如图2-10所示的实验中可知,感应电动势的大小,取决于条形磁铁插入或拔出的快慢,即取决于磁通变化的快慢。磁通变化越快,感应电动势就越大;反之就越小。磁通变化的快慢,用磁通变化率来表示。例如,有一单匝线圈,在\(t_1\)时刻穿过线圈的磁通为\(Φ_1\),在此后的某二时刻\(t_2\),穿过线圈的磁通为\(Φ_2\),那么在\(Δt=t_2-t_1\)这段时间内,穿过线圈的磁通变化量为:

公式24:

\(ΔΦ=Φ_2-Φ_1\)

因此,单位时间内的磁通变化量,即磁通变化率是:

公式25:

\(\frac{ΔΦ}{Δt}=\frac{Φ_2-Φ_1}{t_2-t_1}\)

在单匝线圈中产生的感应电动势的大小是:

公式26:

\(е=\left|\frac{ΔΦ}{Δt}\right|\)

式中的绝对值符号,表示只考虑感应电动势的大小,不考虑方向。:

对于多匝线圈来说,因为通过各匝线圈的磁通变化率是相同的,所以每匝线圈感应电动势大小相等。因此,多匝线圈感应电动势是单匝线圈感应电动势的N倍,即:

公式27:

\(е=N\left|\frac{ΔΦ}{Δt}\right|\)

式中 е代表在Δt时间内感应电动势的平均值(V);N代表线圈匝数; ΔΦ/Δt代表磁通变化率; ΔΦ代表线圈中磁通变化量 (Wb);Δt代表磁通变化ΔΦ所用的时间(s)。

公式(25)说明,当穿过线圈的磁通发生变化时,线圈两端的感应电动势的大小只与磁通变化率成正比。这就是法拉第定律。

想一想:上述规律可以用几件简单的元件、仪表进行验证。

三、楞次定律

法拉第电磁感应定律,只解决了感应电动势的大小取决于磁通变化率,但无法说明感应电动势的方向与磁通量变化之间的关系。为了找出它们之间的规律,必须对前面的实验再作进一步研究。

从图2-10实验中可以看到穿过线圈的原磁通的方向是向下的。

如图2-11a所示,当磁铁插入线圈时,线圈中的原磁通量增加,产生感应电动势。感应电流由检流计的正端流人。此时,感应电流在线圈中产生一个新的磁通。根据安培定则可以判定,新磁通与原磁通的方向相反,也就是说,新磁通阻碍原有磁通增加。

如图2-1lb所示,当磁铁由线圈中拔出时,线圈中的原有磁通减少,产生感应电动势,感应电流由检流计的负端流人。此时,感应电流在线圈中产生一个新的磁通,根据安培定则判定,新磁通与原有磁通的方向是相同的,也就是说,新磁通阻碍原有磁通的减少。

经过上面的讨论得出一个规律:线圈中磁通变化时,线圈中产生感应电动势,其方向是使它形成的感应电流产生新磁通来阻碍原有磁通的变化。也就是说,感应电流的新磁通总是阻碍原有磁通的变化。这个规律被称为楞次定律。
应用楞决定律来判定线圈中产生感应电动势的方向或感应电流的方向,具体方法步骤如下:

1.首先明确原磁通的方向和原磁通的变化(增加或减少)的情况。

2.根据楞次定律判定感应电流产生新磁通的方向。

3.根据新磁通的方向,应用安培定则(右手螺旋定则)判定出感应电动势或感应电流的方向。

例如,在图2-11中,线圈固定不动,条形磁铁向下、向上运动时,判断线圈a、b两端感应电动势的方向。

当磁铁向下运动时,原磁通西增加,且方向向下,由楞次定律可知新磁通西7的方向向上。根据安培定则可判断出,大拇指的指向是新磁通的方向,其余四指的指向就是感应电动势的方向,即由b到a,如图2-11a所示。

当磁铁向上运动时,原磁通Φ减少,且方向向下,由楞次定律可知新磁通的方向向下,阻碍原磁通Φ´的减少,根据安培定则可判断出,感应电动势的方向是由a到b,如图2-11b所示。

对于直导线切割磁感应线向产生感应电动势的方向,用右手定则进行判定。右手定则内容是:伸开右手,使大拇指与其余四指垂直并且与手掌在同一平面内,手心对着磁极的N极,让磁感应线垂直穿过手心,大拇指指向导体的运动方向,其余四指所指的方向就是感应电动势的方向,如图2-12所示。右手定则又叫发电机定则。

四、电磁感应定律

为了使法拉第定律不仅能表示出感应电动势的大小,同时也能表示出它的方向。把法拉第定律与楞次定律结合起来就是电磁感应定律。电磁感应定律的内容是:感应电动势的大小与磁通变化率成正比,感应电流的方向总是阻碍原磁通变化。

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