法拉第电磁感应定律是电磁学的一条基本定律,将电磁感应与磁通量的变化联系起来。在常见的电路形式中,该定律指出:沿导电回路的感应电动势等于穿过该回路的磁通量变化率的负值。在场的形式中,它描述了时变磁场与电场环流之间的关系。这些表述是发电机、变压器和电感类电路元件的工作基础。(openstax.org)
磁通量与电路形式
穿过有向曲面 的磁通量为
其中, 为磁场, 为垂直于曲面的有向面积元。对于穿过面积为 的平面的均匀磁场,
其中, 是磁场与曲面法线之间的夹角,而不是磁场与曲面本身之间的夹角。因此,磁场变化、回路所围面积变化或回路取向变化,都可以引起磁通量的变化。(openstax.org)
对于单匝回路,定律的电路形式为
这里, 为感应电动势。电动势虽然英文名称中带有“力”一词,但并不是力学意义上的力:它衡量的是沿电路一周作用于单位电荷的驱动力的积分,单位为伏特。在国际单位制中,磁通量的单位为韦伯,且 。(feynmanlectures.caltech.edu)
对于匝数固定为 、各匝串联且每匝所交链的磁通量相同的线圈,
如果各匝所交链的磁通量不同,就应取各匝磁通量的代数和,而不能将任意一匝的磁通量乘以 。(openstax.org)
方向:楞次定律
负号体现了楞次定律:感应电动势的方向,使其驱动的电流所产生的磁场阻碍引起感应的磁通量变化。沿回路的正方向与曲面法线的正方向由右手定则联系起来。(openstax.org)
例如,如果垂直指向回路平面内的外磁场增强,感应电流便会产生指向平面外的磁场。如果指向平面内的外磁场减弱,感应电流则会产生指向平面内的磁场,试图维持正在减小的磁通量。感应磁场阻碍的是磁通量的变化,不一定是外磁场本身。(openstax.org)
这一现象符合能量守恒。当一根导电棒作为闭合电阻电路的一部分,在磁场中被拉动时,感应电流会产生阻碍运动的磁力。维持运动所需的外力做功(物理学),为电路中耗散的电能提供来源。(openstax.org)
场的积分形式与微分形式
对于固定在空间中的闭合曲线 及以它为边界的曲面 ,麦克斯韦—法拉第方程为
左边是电场沿闭合曲线的曲线积分。这条曲线不必是实际存在的导线:该方程也适用于空旷空间中假想的闭合路径。(feynmanlectures.caltech.edu)
其局域微分形式为
旋度衡量向量场的局部环流。斯托克斯定理将这一微分方程与积分形式联系起来。麦克斯韦—法拉第方程是描述经典电场和磁场的麦克斯韦方程组中的一条方程。(feynmanlectures.caltech.edu)
与静电学中的静电场不同,感应电场沿闭合路径的积分可以不为零。因此,一般来说,不能仅用单值标量电势的负梯度来表示感应电场。(feynmanlectures.caltech.edu)
静止电路与运动电路
电磁感应包含两种可以区分的贡献:
- **感生电动势:**在静止电路中,变化的磁通量伴随着驱动电荷运动的环形电场。
- **动生电动势:**在运动的导体中,电荷受到洛伦兹力中磁力部分的作用。(feynmanlectures.caltech.edu)
对于运动或形变的物质回路,这两种贡献合并为
其中, 是构成电路的物质在各处的运动速度。右边的导数同时包含磁场变化和曲面运动所引起的变化。(feynmanlectures.caltech.edu)
一个典型例子是长度为 的导电棒以速度 沿导轨滑动。如果导电棒、运动速度和均匀磁场三者两两垂直,则动生电动势的大小为
对于电阻为 的闭合电路,忽略电感引起的暂态过程时,由欧姆定律可得 。一根运动的孤立导电棒也可以在两端形成电势差,而不产生持续电流。(openstax.org)
历史发展
1831年8月29日,迈克尔·法拉第在英国皇家研究院用绕在铁环上的两个线圈演示了电磁感应。当一个线圈开始通电时,另一个线圈中便出现短暂的电流。这套装置展示了共用磁性结构、但在电气上彼此分离的电路之间的感应现象。(rigb.org)
随后,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将法拉第的实验发现纳入了数学化的场论。现代的微分方程将电磁感应表述为电场与磁场之间的局域关系,而不再仅仅是适用于导线电路的规则。(feynmanlectures.caltech.edu)
应用
发电机与电动机的反电动势
发电机通过电磁感应将机械输入转化为电能输出。对于一个匝数为 、面积为 、在均匀磁场中以角速度 转动的理想线圈,
线圈取向的变化产生交变电动势,构成交流电产生过程的基本模型。电动机中的转动同样会产生反电动势,抵抗外加的电驱动作用。(openstax.org)
变压器
变压器利用变化的磁通量耦合初级绕组和次级绕组。当两个绕组交链同一磁通量且忽略损耗时,它们的电压大小满足
匝数比决定电压是升高还是降低。恒定的直流电在开关暂态过程结束后无法维持变压作用:所交链的磁通量必须随时间变化。(openstax.org)
自感
变化的电流也会改变其自身电路所交链的磁通量。对于一个固定的线性电路,若其自感电感为 ,则
感应电动势阻碍的是电流的变化,而不是电流本身。如果 发生变化,更一般的表达式为 。电感器专门利用这一特性,普通导线中也存在这种现象。(openstax.org)
涡流
感应电流不仅可以在单独的导线回路中流动,也可以在块状电导体内部循环。这些涡流可用于磁阻尼、电磁制动和金属探测。它们也会在变压器铁芯中造成不必要的损耗;采用相互绝缘的叠片,可以限制电流通路,从而减少这些损耗。(openstax.org)
适用范围与注意事项
法拉第定律确定的是感应电动势,而不是完整的电流响应。产生的电流还取决于电阻、电感以及电路的其他部分。尤其是在电感动态效应显著的电路中,不能一般性地用 代替对电路的求解。(openstax.org)
应用运动回路的磁通量法则时,必须仔细确定由导电物质构成的实际电路。在具有滑动接触或大块导电体的装置中,例如旋转的导电圆盘,按几何形状选定的“电路”不一定随导体一起运动。简单磁通量计算看似失效,并不意味着麦克斯韦—法拉第方程失效:必须针对电荷的实际路径,计算电场环流和洛伦兹磁力的贡献。(feynmanlectures.caltech.edu)
参考来源
- 1 Faraday’s Law - University Physics Volume 2openstax.org
- 2 Faraday’s Law of Induction: Lenz’s Law - College Physics 2eopenstax.org
- 3 Motional Emf - University Physics Volume 2openstax.org
- Michael Faraday’s ring-coil apparatusrigb.org
- 6 Electric Generators and Back Emf - University Physics Volume 2openstax.org
- 7 Transformers - College Physics 2eopenstax.org
- 2 Self-Inductance and Inductors - University Physics Volume 2openstax.org
- 5 Eddy Currents - University Physics Volume 2openstax.org