电磁感应定律的运用分析

廖向原

摘 要：磁通量在变化时会产生感应电动势现象，在闭合电路的一部分导体在磁场作切割磁感线运动时，导体会产生电流，这种现象被称为电磁感应现象。因此电磁感应的准确定义为：因磁通量发生变化而产生感应电动势的现象。从物理学史认识电磁感应定律，包括借助直觉思维实现突破、抓住本质建立定律以及利用数学语言进行抽象表达三个方面。目前，电磁感应定律已经在多个领域得以应用。

关键词：电磁感应定律；物理学史；运用

电磁感应定律是物理学的关键内容，它展示了电和磁之间的联系。当大学生在学习物理电磁理论时，由于中学的重要基础，因此会比较熟悉教材中的电磁感应现象和规律。这样一来，学生在上课过程中就有可能轻视电磁感应的相关问题，而一旦涉及应用，学生往往又会感觉到力不从心。这说明，学生对电磁感应定律的内涵理解还不够深刻和透彻。因此，加强对电磁感应定律的运用是本次研究的重点。

一、从物理学史认识电磁感应定律

1.借助直觉思维，实现新突破

电流磁效应于1820年被丹麦物理学家发现，这一发现充分展现了电和磁之间的关系，突破了长久以来对电和磁在认识上的局限性，这一巨大的科学浪潮证明了电和磁是密切相关的。在直觉思维的推动下，科学家认为因为电可以生成磁，所以磁也是可以生成电的。19世纪20年代，法拉第仔细观察了磁铁之间存在的相互作用问题，以及电流之间产生作用等一系列的电磁现象，在经过严格的分析和比对之后，法拉第猜测，磁铁能够使影响范围内的铁感应具有磁性，而电荷可以让近处的导体在感应上带有电荷，所以电流也是同理，一样可以让附近的线圈因受到磁感应而产生电流。之后，法拉第对电和磁之间的关系问题展开了持久的探索工作，并于1825年将导线的回路放置在另一通以强电流的回路附近，他希望通过这样的布置能够使导线回路产生感应电流，但这次的试验以失败告终。到19世纪末，法拉第再次设计出专门的装置，让导线的回路和磁铁不在同一位置上，但结果仍然不理想。这段时期，不仅法拉第，其他物理学家也在进行相应的尝试，但均以失败告终。

虽然经历了大量的失败，但在一次次的失败中，法拉第已经通过直觉和经验感觉到磁能够生成电，因此他更加坚信这一理念，至19世纪30年代，法拉第再次进行了实验。他通过铁环和线圈验证了自己观点的正确性。在继续试验的过程中，法拉第也逐渐意识到，如果保持通电，磁针就不会有反应。通过长期的研究观察，法拉第更加坚信自己的理论，并突然意识到，电磁感应是一种在变化和运动过程中出现的非恒定暂态效应。在接下来的探索和试验中，法拉第终于向世人揭示了电磁感应现象。从这一点上来看，借助直觉思维并不断进行试验，就能够有效突破傳统观念的束缚，虽然未必能够实现自己的目标，但可能因此产生新的收获。

2.抓住本质形象，建立电磁感应定律

法拉第在发现了电磁感应规律之后，又紧接着进行了多项此类试验，并总结规律，将产生感应电流的实验情形归纳为运动恒定电流、变化电流、运动磁铁、变化磁场以及在磁场中运动的导体五类。19世纪30年代初，法拉第认识到，在同样的条件之下，不同金属导体中所产生的感应电流和导体的导电能力成正比，这说明感应电势会在一定条件下形成，而感应电流则是因和导体性质无关的感应电势产生的，因此产生感应电流的原因就是感应电势。

上述的五种情况都可以产生感应电势，闭合导体中的自由电荷也就因此定向移动。法拉第认为，感应电势产生的原因主要是由于磁铁及电流会产生张力，使物质处于张力状态下，这样的状态从出现到消失，整个过程都会产生电势。为了直观地描述这样的状态，法拉第以其丰富的想象力将力线创造性地引入概念以解释电紧张的状态。法拉第力线是由于物质产生的，它会充满整个空间，而两个磁极的相互作用也是通过力线进行传递。力线的源头不变，力线的分布就不会改变。等到通过导体回路的磁力线发生数量上的变化时，感应电动势就会在回路中产生，感应电流也就因此形成。

二、电磁感应定律的表述

电磁学的重要规律就包括电磁感应定律，它主要有两种表达方式，第一种可以表述为：

①ε=-d/dt

这是电磁感应在宏观上的表现形式。在进一步分析电磁通量变化的原因后，可以得到第二种表述：

②ε=L（v×b）*dl-*ds

这两种表述是否等价，目前不好下定论，很多文献均处于探讨阶段。

三、电磁感应定律的运用

根据公式②可以看出，它在揭示电磁感应现象时，是通过微观机理出发揭示的，不仅将电磁感应的微观本质展现出来，并且也更有利于日后对电磁感应理论的应用。根据公式②，不仅能够对非闭合的导体进行方便的计算，计算其在进行切割磁感线运动时所产生的电势；也方便了对净值闭合导体的相关数据的计算，计算出其在磁场的变化状态中自身产生的感应电势。

在论证公式①时，根据当前的教材可知：在对ε的正负值进行讨论之前，应统一回路的绕向，以其边界的曲面矢量n为统一的右手螺旋定理。以下四种情况如图1所示，统一规定绕向，以右手为标准。当φ>0并且φ增加时，d/dt>0，因此ε<0，方向不同于回路绕向；当φ<0并且增加绝对值时，d/dt<0，因此ε>0，方向和回路绕向一致。

虽然按照这样的方式判断电势是准确的，但还不够简洁，因此就建议采用如图2的方法进行分析，具体如下：规定n的方向和φ的方向一致，得到φ>0，d/dt的正负也就很好判定，简化了分析判断的过程，并且不易出错。

四、结语

物理是一门重视实践的课程，因此通过实践运用的方式学习物理学中电磁感应定律也是非常有效的。通过物理学史，学生们首先认识电磁感应定律的基本含义和原理，再通过改变课程实验设计的方式简化判断，在充分运用电磁感应定律的同时，也简化了分析研究的步骤。

参考文献：

1.康良溪.电磁感应定律实验的研究[J].物理教师，2016，37（9）：48-50.

2.刘礼全.电磁感应定律的几类题型及解题技巧[J].新课程学习：上旬，2014（5）：50-51.

3.杨俊秀，李霖，赵文来等.电磁感应定律及其简单应用[J].电气电子教学学报，2013，35（6）：69-70，75.

（作者单位：广西贵港市高级中学）