探究电磁感应定律及其简单应用

姚韶臣

摘 要：电磁感应定律作为电磁领域的重要定律，对人类社会的发展起到了巨大的推动作用，具有划时代的意义，时至今日，电磁感应定律依然在生产生活中发挥着巨大的作用。本文探究了电磁感应定律的基本原理、数学表达公式等，区分了动生电动势与感生电动势，分析了电磁感应定律在生产生活中的具体应用情况。

关键词：电磁感应定律；推导公式；应用分析

法拉第电磁感应定律是电磁学领域的最重要的定律之一，电磁感应定律定量解释了电与磁之间的相互转换关系，在理论价值方面，电磁感应定律为麦克斯韦统一电磁场理论、创建麦克斯韦方程组奠定了坚实的理论基础；站在实际价值角度，电磁感应定律是电气化时代的理论基础，人们从电磁感应定律出发，陆续创造出了发电机、变压器等电气设备，人类文明正式迈入电气文明，这具有划时代的意义。因此探究电磁感应定律具有非常重要的现实意义。

1 电磁感应定律概述

1.1 电磁感应的推导公式

电磁感应定律的定义是：因磁通量变化而产生感应电动势的现象；电磁感应定律的表述公式为：

上述几个公式都是电磁感应定律的不同数学表现形式，计算结果相同，（4）式的应用范围最广。

1.2 感应电动势大小的影响因素

引入磁链概念探究影响感应电动势大小的影响因素，利用磁链定义线圈电感值，假设在一闭合回路中有匝数为n的电感线圈L，交变电流i流经电感线圈时，根据电流磁效应，交变电流i产生变化磁场，电感线圈在变化的磁场中，磁通量发生变化，产生感应电动势：

1.3 感生电动势与动生电动势

根据电磁感应定律公式（3），

磁通量的变化是产生感应电动势的原因，那么引起磁通量变化就可以一分为二看待，有可能是因为磁感应感应强度B的变化引起的，也可能是线圈面积变化所引起的，将（7）式進行转化可得下列运算公式：

上式第一项即磁感应强度随时间变化所产生的电动势，典型代表为老式家庭电视天线；上式第二项是线圈面积随时间便变化而产生的动生电动势，典型代表即各类发电机。需要注意的是（8）式是与（4）式等价的。

2 电磁感应定律的应用

2.1 电磁感应定律应用——发电机

“电”这种能源形式因其传输方便、环保无污染等优点被广泛应用，因此发电技术在国民经济发展中占据重要地位。

发电机是一种将其他形式能源转变为电能的装置，将风能、潮汐、热能、核能等形式的能源转化为电能，虽然发电机的构成各不相同，例如利用水利能源制成的水轮发电机，利用煤炭石油的汽轮发电机等，但是核心工作原理都是依靠电磁感应定律，辅以电磁率定律。通过构造出能够互相进行电磁感应的磁场与交变电流，实现能量转换。

发电机的核心部件是定子与转子，辅助部件是机座、轴承等部件，定子主要包括铁芯及线包绕组等，转子包括铁芯、转子磁极、滑环等，工作时通过滑环给转子通入励磁电流，根据电流磁效应，转子产生旋转磁场，定子做切割磁感线运动，产生感应电动势。

2.2 电磁感应定律应用——变压器

发电机发电结束后需要将电力及时传输，满足用户需求，尤其是我国目前能源地域分布与需求分布严重不匹配，例如西北地区风能储量极大，也建立了很多大型风电场，但是西北地区的需求量却很小，所以产生了“西电东送”等发展战略，在高压电力传输过程中，变压器是重要电气设备。

上述结论是理想情况下即线圈1内的磁通量等同于线圈2内的磁通量，计算结果显示，初级与次级电动势比值与线圈匝数成正比，但是实际情况或多或少都存在漏磁、涡流等情况，为了提高变压器的工作效率，传统做法是更换导磁率高的铁芯、改善线圈绕制紧密匀称程度或者是在保持增n1n2不变的情况下加n1，但是更换高效率铁芯的改善效果是有限的，而且容易出现磁饱和的现象，因此提高匝数与改善线圈绕制是提升变压器效率行之有效的办法。

2.3 电磁感应定律应用——手机无线充电技术

随着智能手机的普及，尤其是各类APP的广泛应用，手机电池的电量消耗问题日益引起手机开发商的重视，像OPPO推出快充功能，有的手机开发商则提出无线充电的噱头，手机无线充电技术的基本原理也是电磁感应定律，核心技术是磁场源与感应端的合理设计，具体是充电底座实际上电流转化，首先普通电（220伏/50赫兹）的交流电，先后经过低频交流——直流——高频交流的转换，最终转化的交变电流能够形成稳定变化的磁场，需要充电手机放置于充电底座上，手机内设的磁感应线圈，线圈内的磁通量因磁场的变化而变化，产生感应电动势，在手机内的闭合回路中产生稳定电流，从而形成对手机的充电。需要注意的是，手机无线充电技术的难点在于对电流的控制上，转换后的交变电流频率控制是关键，否则将会影响充电市场，更重要的是防止出现安全事故。

2.4 电磁感应定律应用——电磁炉

电磁炉作为现代厨房的常见烹饪器具，因其效率高、加热快、无明火等特点备受人们青睐。电磁炉在工作过程中运用了电磁感应、涡流效应、电流磁效应等定理。

电磁炉的工作原理具体是指：交流电（即市电，220伏，50赫兹）接通后，首先会进行调频，交流电通过整流电路将交流市电转化为直流电，然后直流电转化为高频（20-40赫兹）交流电，根据电流磁效应，高频交变电流产生交变磁场，交变磁场穿过烹饪器具（多为铁、铜等金属材质），根据电磁感应定律，从微观角度看，烹饪器具内的电子等做切割磁感性的运动，产生非常多的感应电流（涡流），由于烹饪器具的电阻相对较高，根据功率计算公式

产生的感应电流会产生热效应，从而完成事物的蒸煮、烹饪。

基于上述原理，提升热功率的直接措施即提升感应电流大小，感应电流大小与感应电动势成正比，而感应电动势的大小与交变电流的频率、线圈匝数、烹饪器具的特性有关，而且研究表明，将有磁性的物质放置于磁场中，可以直线提升感应电动势大小，因此以铁磁材料为原材料制作的平底锅成为与电磁炉搭档的首选。

在电磁炉功率调节中，当前很多电磁炉都通过单片机等进行控制，通过将负荷电流的大小设计为PWM信号占空比即可实现功率调节，占空比越高功率越高，反之亦然。

3 结论

电磁感应定律揭示了电磁之间的转化关系，在人类社会中的影响无处不在，因此探究法拉第电磁感应定律具有非常的现实意义，只有深入掌握了电磁感应定律的原理，在生产生活中灵活应用，才能最大程度发挥电磁感应定律的作用，进而推动人类社会的进步与发展。

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