电磁感应

一般来说,静电场是由匀速运动的电荷产生的,而静电场是由静止电荷产生的。另一方面,电磁场是由时变电流产生的时变场。

这些磁场导致产生基于电磁感应原理的电动势。1831年,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)和美国科学家约瑟夫·亨利(Joseph Henry)同时独立地发现,线圈磁场的任何变化都会导致在线圈中产生电动势或电压。

这种由磁场产生电动势的现象称为电磁感应。这一原理的两个常见应用是作为电力来源的发电机或交流发电机和增加或减少交流电路的电动势的变压器。

电磁感应原理

什么是电磁感应?

通过导体切割磁通量线而在导体中产生感应电动势的现象或方法称为电磁感应。电动势,电动势不像名字说的那样是力,但它是力做的每单位电荷的功。

它有每个电荷的能量维度。该电动势可以通过法拉第实验得到的两种方式产生,即静止线圈、运动磁铁和静止磁铁、运动线圈。让我们简单地了解一下这两个方面。

静止线圈和移动磁铁

在这种方法中,N匝线圈保持不变,产生磁力线的永磁体相对于线圈移动。考虑下面的图,其中一个线圈有N匝连接到电流计,给出了在电路中电流的指示。

移动永磁体,使通过线圈的磁线发生变化。所以当永磁体运动时,检流计就会发生偏转。当永磁体移动得越快时,电流计的偏转就越严重。

这种电流流动的原因是磁通量线相对于静止线圈的运动所产生的电动势。这个电动势驱动电流流过电路。

静止线圈和移动磁铁

静止磁铁和移动线圈

这是另一种通过在固定磁铁产生的磁场中移动线圈来获得电动势的形式。下面的图显示了由一个线圈AB组成的安排,它通过一些外部的方式移动,并连接到一个检流计来指示电流的流动。

每当AB导体被移动向上或向下,有切割磁通线由导体构成。因此,一个电动势在导体中感应和流过的电流开始通过电流计,从而在电路开始偏转。

电流流动的方向由所述导体在磁场中的运动确定的。更多的将是目前的流动,如果导体快速移动。

静止磁铁和移动线圈

从上述两种方法,但应注意的是,已经感应电动势,必须有在磁通线相对于所述导体的变化。所必需的元件已经此感生电动势是磁通量和导体之间的导体或线圈,一个磁场(电磁铁或永久磁铁)和相对运动。

法拉第电磁感应定律

正如上面给出的两位科学家发现了电磁感应,即迈克尔·法拉第和约瑟夫亨利。由于迈克尔·法拉第已经首次公布了他的发现,并在有关电磁感应更详细的研究,描述了电磁感应定律就是以他的名字命名的。欧宝官网app苹果下载他说电磁感应的两项法律。

法拉第第一定律

它指出,当与闭合电路相连的磁力线(磁通量)发生变化时,或者当导体切断或被磁通量切断时,电路中就会产生感生电动势,从而导致感应电流通过电路。只要磁通量改变或导体与磁通量之间的相对运动持续存在,就会产生电动势。

法拉第第二定律

它指出,在电路或线圈中感应的电动势的大小与磁链的变化率成正比。

考虑一个N匝线圈,初始磁链连接为Φ1。因此,与线圈相关的初始磁链为N Φ1。在时间t中,与线圈连接的磁通由Φ1变为Φ2。最后线圈的磁链为N Φ2。

因此通量链变化率= (N Φ2 - N Φ1) /t

根据法拉第定律,线圈中磁链的变化会产生一个电动势,根据第二定律,这个电动势与磁链的变化率成正比。也就是说,

Èα(NΦ2 - N的Φ1)/吨

e = (N Φ2 - N Φ1) /t

e = ndΦ /dt

凡DΦ/ dt的是磁通变化率

N是线圈的匝数

这个感应电动势产生的电流方向与产生电流的原因相反,根据楞次定律。这种对立在数学上用一个负号表示为

e = - N dΦ /dt ...................(1)

感生电动势是一个以伏特为单位测量的标量。它可以写成电场的形式

E =∮Ē。(DL)............(2)

上面的方程是闭合路径的电压,如果路径的任何部分改变,感欧宝官网app苹果下载应的电动势也会改变。

用磁场表示通过某一特定区域的总磁通量为

Φ =∮s B̄.(ds)̄.∮

在哪里B是磁通量密度

则式2为(假设N=1,即单匝线圈)

e = - d /dt(∮sB̄.(ds)̄)...............(3)

∮E̅̅= (dL) - d / dt(∮某人̄̄(ds) ) .............( 4)

这叫做楞次定律的积分形式。

通过考虑式(4)和应用中风的定理,我们得到

∮s∇×Ē.(ds)̄)= - d /dt(∮sB̄。(ds̄)

如果电路是静止的,时间导数可以移动到积分内,那么它就变成了偏导数

∮s∇×Ē.(ds)̄)= -∮(s)(∂/∂t (BM.(ds)M))

然后等同积分

∇× EM =∂/∂t BM

这被称为法拉第定律的微分形式。

楞次定律

这条定律是以德国物理学家海因里希·伦茨的名字命名的,是他提出了这条定律。这个定律指出,由电磁感应产生的感应电动势的方向总是这样,它倾向于建立一个与产生它的原因相反的电流。

这里的原因是通量是负责产生电动势的变化。所以感应电动势总是反对生产它的原因,它是由在电动势的数学表达式负符号表示。

e = - ndΦ /dt

考虑下面的图,其中线圈连接到一个电流计。让条形磁铁向线圈移动。磁体的这种运动在线圈中感应出电动势,从而产生电流。根据楞次定律,感应电流的方向是这样的,它反对磁铁的运动,如图所示。

楞次定律

由电动势产生的电流产生它自己的磁场,这个磁场与产生电动势的主磁场相反。所以楞次的状态是在一个闭合环路周围感应的电流是这样的,它产生的磁场试图抵消磁通量的变化导致产生电动势。

在以下图中,闭环电流在顺时针方向由于感应电动势流动。根据楞次定律,如果磁场B正在增加,则循环电流产生磁场B”,其反对通过环路中磁通B中的增加。

磁通量B通过回路

那么在闭环上感应的电动势就变成,

∮CEM(DL)M)= - 。d / dt(下。∮sBM(DS)M)

其中负号表示楞次定律

电感

在线圈中的磁感应效应当与时间内磁场的变化被电感L.用于制造线圈的电动势的原因是表示流过它的电流。因此,在线圈中电流的任何变化是由感应电动势根据楞次定律反对。

这种对抗电流变化的特性叫做电感。线圈内磁通的变化不仅是由于线圈内电流的变化,也是由于附近线圈内电流的变化。因此电感可以是自感的或互感的。

自我电感

假设一个给定的电路是一个单环线圈,那么电流的任何变化都会改变与电流相关的磁通量。给定的线圈本身截留了磁通量,磁通量的变化将导致在线圈中产生电动势。这种电动势称为自感应电动势,它驱动与电流变化相反的感应电流。

这意味着当电流增加时,感应电动势就会降低电流并试图保持其原始值。同样地,如果电流减小,感生电动势就会增加电流并试图保持原来的值。

因此,通过线圈的电流的任何变化都被线圈所抵消,这个特性称为线圈的自感。由于感应电动势与产生它的原因相反,这个电动势也称为反电动势或反电动势。

自我电感

如果电路有N个相同的匝数,那么磁链等于NΦ。而且,如果电路周围的介质是线性的,那么磁链就和电流成正比。也就是说,

总通量连杆,λ = NΦ和

λαNφ

λα我

λ = l I

L是电感常数

L = λ / I

L =Nφ/ I

另外

e = - ndΦ /dt

通量可以表示为

Φ = (Φ / i) × i

只要介质是线性的(磁导率是恒定的),磁通与电流的比值就是恒定的。

流量变化率= (Φ / I) ×电流变化率

dΦ/ dt = (Φ / I) × dI/ dt

EMF方程代入,我们得到

e = - N (Φ / I) × dI/ dt

E = - (NΦ/ I)×di / dt的

式中(N Φ / I)为自感,记为l。定义为每安培电流的磁链,用Henry (H)测量

E = L - di / dt的

自感系数表示为

L =Nφ/ I

但是Φ = mmf/勉强

= NI /秒

则L = (N / I) × (NI/S)

L = (n2 / s)

也作reluctant S = l/µa

其中l是磁通量路径的长度,a是磁路横截面的面积。

然后L =(N2 /(L /μA))

L = (N2µa / L)

L = (N2µoµr a) / L亨利

相互电感

通过改变相邻电路中的电流而在一个电路中产生感应电动势的现象称为互感。如图所示,考虑两个线圈彼此相邻。通过线圈A的电流产生磁通Φ1,其中一部分磁通与线圈B相连。

这被称为互通量Φ2。如果通过线圈A的电流发生变化,那么磁通Φ1也会发生变化。由于这个磁通与线圈B有关,互感磁通Φ2的变化在线圈B中产生了电动势,这个电动势称为互感电动势。

此电动势进一步驱动器通过线圈B.当前因此,互感是通过该电动势被在线圈由于在另一线圈的电流的变化引起的特性。

相互电感

线圈B感应的电动势为

e2 = - N2 dΦ2 /dt

负号表示感应电动势建立了一种电流,它反对根据楞次定律与线圈连接的磁通的变化。

我们可以表示Φ2 = (Φ2/I1) × I1

如果介质的渗透率是恒定的,Φ2与I1成正比,因此比值(Φ2/I1)是恒定的。
Φ2的变化率= (Φ2 / I1) ×电流I1的变化率

dΦ2/ dt = (Φ2 / I1) × dI1/ dt

因此感应电动势为

e2 = - N2 (Φ2 / I1) × dI1/ dt

E2 = - (N2Φ2/ I1)×DI1 / dt的

式中(N2 Φ2 / I1)为互感,记为m。定义为一个线圈内每安培电流变化的总磁链数。用Henries (H)来测量,则感应电动势为

e2 = - M × dI1/ dt

并且,这种互感表示为

M = (n2 Φ2 / i1)

式中Φ2为I1产生的通量Φ1的一部分。考虑K1是连接线圈B的Φ1的分数,即,

Φ2 = k1 Φ1

M = (N2 K1 Φ1 / I1)

通量Φ1is表示为

Φ1 = mmf /勉强

= (n1 i1) / s)

因此,M =(N2 K1 / I1)×(N1 I1)/ S)

M = (k1 n1 n2) / s

如果线圈A产生的总通量与线圈B连接,那么K1= 1

M = (n1 n2) / s

而S = S = l/µa

M = (N1 N2) / (l/µa)

M = (N1 N2 o N2 r a) / l Henries

这是B线圈相对于A线圈的互感。数学上,B线圈由于A线圈产生的互感和A线圈由于B线圈产生的互感是一样的。

螺线管的电感

如图所示,考虑一个具有N圈的螺线管。考虑通过螺线管的电流为I安培,A为横截面积,l为螺线管的长度。

螺线管的电感

螺线管的磁场强度为

每米H = NI /升安培

总通量链接= N Φ

= n b a

n n h

n n h a

在上述等式中代ħ

总通量链= N (NI/ l) A

= (N2 I A) / l

因此,螺线管的电感为

L =全交链磁通量/总电流

L =(μN2 I A)/升)/ I

/ L亨利

一个磁环电感

考虑一个半径为R,匝数为N的环形环如下图所示。让通过环的电流为1安培。

一个磁环电感

环形环内的磁通量密度为

(2πr)

N圈环形环的全磁链链为

总通量链接= N Φ

= N B A (since Φ = B A)

= n ((n) i / (2πr)) a

/ (2πr)

因此,环形线圈的电感为

L =全交链磁通量/总电流

/ (2πr) (I)

L = (n2 a) / (2πr)

Wher A是环形线圈的横截面面积,其等于πR2米

对于具有内半径r 1和外半径r 1,与匝数N,电感被给定为总数高度h的超环面

L = ((N2 h) / (2π) ln (r2/r1)

电磁感应应用实例

发电机

发电机从机械功(电机的相反的功能,其将机械能转换成电能)产生的电能。

发电机的轴是通过一些机械装置旋转的诸如涡轮或发动机,从而电动势在线圈绕组根据电磁感应的法拉第定律诱导。

发电机

如图所示,用均匀磁场旋转的线圈来解释发电机的工作原理。但在实际发电机中,电线通常绕在铁芯上。

每根导线形成线圈,线圈的两端通过滑环与外部电路相连,滑环随线圈旋转。

外部电路连接固定电刷,当每个滑环滑动时,固定电刷与滑环接触。在发电机中,磁通量可以是移动的,也可以是静止的,这取决于静止或移动的导体。

在上图中,静止磁通是由永磁体产生的,导体或线圈相对于静止磁通运动。由于导体和磁通量之间的相对运动,就会在线圈或导体中感应到电动势。

此电动势驱动电流提供给外部负载电路。当导体的运动的平面与磁通的平面平行引起的电动势是零,并且当它是垂直然后电动势感应将最大。这个电动势也被称为动态感应电动势。

变压器

变压器本质上是由一个封闭铁芯上的两个或多个绕组组成。通过使用变压器,电力可以转换从一个交流电路到另一个所需的变化的电压和电流水平。变压器是根据两个线圈之间的互感原理工作的。

当一个电压被施加到初级绕组,电流流过它并设置在核心的磁通量。该通量诱导初级线圈,其必须正好相等并相反的施加电压的电动势。相同的通量也与次级绕组上的芯的另一肢相连。

因此,根据电磁感应原理,在二次绕组中产生了电动势。与各自绕组相关联的电动势取决于每个绕组的匝数。因此,在电路之间没有电耦合的情况下,变压器从一个电路传输电力。

通过合理选择二次和二次的匝数比,可以得到所需的一次和二次电压比。

单相TF

除了这些主要的例子,有利用电磁感应原理进行其功能,如电力传输,电磁炉,工业炉,医疗设备,电磁流量传感器,乐器(如电小提琴和电吉他)等许多应用。

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