电磁感应及其应用

【知识目标】

1）了解电磁感应现象及其产生的条件。

2）理解电磁感应现象，会用右手定则判断感应电流方向。

3）理解楞次定律、法拉第电磁感应定律和安培定则。

【技能目标】

用电磁感应知识解释生活中的物理现象。

【情感目标】

经历科学探究的过程，培养学生的科学态度和求是精神。

观察与思考

电是怎么产生的？

磁场与电流有什么关系？

发电机是如何发电的？

一、电磁感应现象

1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，揭开了研究电磁本质联系的序幕。

1831年法拉第经过十年不懈的探索，终于发现了电磁感应现象：当导体相对于磁场运动而切割磁力线，或线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生电动势，如图3-10b所示；若导体或线圈是闭合电路的一部分，则导体或线圈中将产生电流。从本质上讲，上述两种现象都是由于磁场发生变化而引起的。我们把变化磁场在导体中引起电动势的现象称为电磁感应，也称动磁生电。由电磁感应引起的电动势叫做感应电动势；由感应电动势引起的电流叫做感应电流。

1.直导体中产生的感应电动势

产生感应电动势五种情况：①变化着的电流，如图3-10a所示；②线圈中变化着的磁场，如图3-10b所示；③运动中的恒定电流，如图3-10c所示；④运动着的磁铁；⑤在磁场中运动着的导体。

感应电流与原电流本身无关，而是与原电流的变化有关——这种现象称为电磁感应。

原因：线圈中磁通量发生改变导致产生感应电动势。

图3-10 可产生感应电动势

a）变化着的电流 b）线圈中变化着的磁场 c）运动中的恒定电流

如图3-10c所示，当导体在磁场静止不动或沿磁力线方向运动时，检流计的指针都不偏转；当导体向下或磁体向上运动时，检流计向右偏转一下；当导体向上或磁体向下运动时，检流计指针向左偏转一下。导体切割磁力线的速度越快，指针偏转的角度越大。上述现象说明，感应电流不但与导体在磁场中的运动方向有关，而且还与导体的运动速度ν有关。

直导体中产生的感应电动势的大小为。

e=BVLsinα （3-5）

若磁通密度B的单位为T，V的单位为m/s，L单位为m，则e的单位为V。导体垂直磁力线（即导体在磁场中的有效长度Lsinα=Lsin90°=L）时，感应电动势最大E=BVL。

2.右手定则

直导体中产生的感应电动势方向可用右手定则来判断。

右手定则：右手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把右手放入磁场中，若磁力线垂直进入手心（当磁感线为直线时，相当于手心面向N极），大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中感应电流的方向，如图3-11所示。

图3-11 右手定则示意图

电磁学中，右手定则判断的主要是与力无关的方向。如果是和力有关的则全依靠左手定则来判断。即，关于力的用左手，其他的（一般用于判断感应电流方向）用右手定则。（这一点常常有人记混，可以发现“力”字向左撇，就用左手；而“电”字向右撇，就用右手）。

二、楞次定律

如图3-12所示，当我们把一条形磁铁的N极插入线圈时，检流计指针将向右偏转，如图3-12a所示；当磁铁在线圈中静止时，检流计指针不偏转。当把磁铁从线圈中拔出来时检流计指针反向偏转，如图3-12b所示；若改用磁铁的S极来重复实验，则当S极插入线圈和从线圈中拔出时，检流计指针的偏转方向与图3-12a、b相反。这个实验说明：当磁通发生变化时，闭合线圈中要产生感应电动势和感应电流。磁铁插入线圈和从线圈中拔出磁铁时，感应电流的方向相反。

图3-12 楞次定律

a）ϕ增 b）ϕ减 c）ϕ增 d）ϕ增

由此得出结论：

1）导体中产生感应电动势和感应电流的条件是：导体相对于磁场作切割磁力线或线圈中的磁通发生变化时，导体或线圈中就产生感应电动势；若导体或线圈是闭合电路的一部分，就会产生感应电流。

2）感应电流产生的磁场总是阻碍原磁通的变化。也就是说，当线圈中的磁通增加时，感应电流就要产生一个磁场去阻碍其增加；当线圈中的磁通要减少时，感应电流所产生的磁场将阻碍其减少，即楞次定律（楞次于1834年发现的）。(www.xing528.com)

楞次定律为我们提供了一个判断感应电动势或感应电流方向的方法，具体步骤：

1）首先，判定原磁通的方向及其变化趋势（即增加还是减少）。

2）根据感应电流的磁场方向永远和原磁通变化趋势相反的原理确定感应电流的磁场方向。

3）根据感应磁场的方向，用安培定则就可以判断出感应电动势或感应电流的方向。应当注意，必须把线圈或导体看成一个电源。在线圈或直导体内部，感应电流从电源的负极流到正极；在线圈或直导体外部，感应电流由电源的正极经负载流回负极，因此电流的方向永远和感应电动势的方向相同。

三、法拉第电磁感应定律

法拉第（1791～1867）

伟大的英国物理学家和化学家。

主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现。

他创造性地提出场的思想，是电磁理论的创始人之一。

1831年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转。

法拉第电磁感应定律于1831年由迈克尔·法拉第发现。虽然约瑟·亨利则是在1830年的独立研究中比法拉第早发现这一定律，但其并未发表此发现，故这个定律被命名为法拉第定律。本定律可用以下的公式表达：

式中 E——电动势，单位为V；

ϕ_B——通过电路的磁通量，单位为Wb。

电动势的方向（公式中的负号）用楞次定律判断。

线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化速度（即变化率）成正比。在实际应用中，常用楞次定律来判断感应电动势的方向，而用法拉第电磁感应定律来计算感应电动势的大小（取绝对值）。所以这两个定律是电磁感应的基本定律。

法拉第电磁感应定律最重要的应用是发电机和电动机。发电机将机械能转换成电能，如图3-13所示，而电动机则将电能转换成机械能。

图3-13 发电机原理

a）简易发电机 b）顶视的转动线圈

四、安培定则

安培定则是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫右手螺旋定则。

1）通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向，如图3-14所示。

2）通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极，如图3-15所示。

图3-14 通电直导线中的安培定则

图3-15 通电螺线管中的安培定则

安德烈·玛丽·安培（1775～1836）

安德烈·玛丽·安培，法国物理学家、化学家、数学家，在电磁作用方面的研究成果卓著。其主要成就是首先推导出了电动学的基本公式，建立了电动学的基本理论，电流的国际单位安培即以其姓氏命名。

巩固与提高

一、填空题

1.通电导体在磁场中所受的电磁力的方向由____定则确定，而导体在磁场中作切割磁感线运动时，产生的感应电动势的方向由____定则确定。

2.楞次定律的内容是：____产生的磁通总是____磁通的变化，当线圈中的磁通增加时，感应磁场的方向与原磁通方向____；当线圈中的磁通减少时，感应磁场的方向与原磁通方向____。

二、选择题

下列装置中应用电磁感应现象工作的是（ ）。

A.发电机 B.电磁继电器 C.电热器 D.直流电动机