电磁感应的原理(一)

电磁感应原理 一 什么是电磁感应 电生磁 磁生电 这就是电磁感应 1 电生磁 图 1 1 所示就是一个电生磁的实例 图 1 1 图 1 2 在一只铁钉上面用导线绕了一个线圈 当把线圈的两端分别连 接在一个电池的正极和负极时 电流就会经由线圈流过 这时铁钉 就具有了吸引铁屑的能力 铁钉就有了磁性 图 1 1 所示 此时把 连接于电池的导线取消 流过线圈的电流被切断 铁屑有都离开铁 钉 掉落下来 铁钉又失去了磁性 图 1 2 所示 因为线圈有电流 流过而产生了磁性 因为线圈的电流被切断停止了电流的流过 又 失去了磁性 这就是电生磁的现象 图 1 3 图 1 4 既然导体流过电流就能产生磁 那么电流流动的方向和磁极 N 极 S 极 的方向有什么关系呢 在电工原理的概念中 有一个著名 的定则 右手螺旋定则 也称 安培定则 就是依据右手握拳 拇指伸直这种手的形态 来判断磁场的方向 也就是根据导体或者 线圈内部电流的方向来判断磁场的方向 图 1 3 所示 这是一个闭合的回路 图中电流由电池的正极经过线 圈流向负极 线圈上箭头方向是电流的方向 线圈内部产生磁力线 的方向是左边是 S 极 右边是 N 极 这正好和图 1 4 所示的右手握 拳 拇指伸直这种手的形态相吻合 即 右手四指所指是电流的方 向 伸直拇指所指是磁场 N 极的方向 也就是磁力线的指向 同样通电的直导线的周围也会产生以导线为圆心的同心圆磁场 图 1 5 所示 这个直导线流过电流的磁场和磁场的方向也可以采用 右手握拳 拇指伸直这种手的形态来判断 如图 1 6 所示 右手握通电的直导线 拇指是电流的方向 握拳的 四指就是围绕直导线磁场的方向 图 1 5 图 1 6 结论 导体通过电流就会产生磁场 并且磁场的方向和电流的方向 有关 2 磁生电 图 1 7 是自行车发电机的构造原理图 图 1 7 图 1 8 在图 1 7 中 中间有标有 N S 极的是一个圆形永久磁铁 其磁力线的 分布是从 N 北极 极指向 S 南极 极 图中有箭头的虚线是磁场 磁力线的分布图 在圆形永久磁铁的两边分别有两个串联在一起的 线圈 由于线圈靠近永久磁铁 线圈也置身于磁场中 磁力线从线 圈中穿过 线圈的两端连接一只灯泡 形成一个闭合的回路 圆形 永久磁铁是可以旋转的 可以在自行车车轮的带动下旋转 图 1 9 所示 当永久磁铁不旋转时 虽然线圈也作用于磁场之中 磁力线穿过了 线圈 但是灯泡是不发光的 就好象自行车车轮不转动 车灯是不 会亮的 当自行车在骑行时 车轮带动永久磁铁旋转 永久磁铁磁场的磁力 线也随之旋转 此时永久磁铁傍边的线圈等于在不停的切割磁力线 此时灯泡也开始点亮发光 图 19 所示 自行车骑的越快 永久磁铁 也旋转的越快 灯泡也就越亮 这个自行车发电机的工作原理说明了如下问题 1 导体切割磁力线导体内部就会产生电势 如果导体是闭合回 路 这个电势就会形成电流 2 导体切割磁力线的速度越快 永久磁铁在车轮的带动下旋转 越快 电势就越高 如果是闭合回路内部的电流也就越大 灯泡越 亮 注 这个因为切割磁力线而产生的电势就叫 感生电势 感生电 势就是因为电磁感应现象产生的电势 结论 导体切割磁力线就会产生感生电势 这就是磁生电的电磁感 应现象 磁力线和线圈相对的变化速度越快感生电势就越高 这就是著 名的法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律 感生电势与导体周围磁通的变化率成正比 图 1 9 通过前面的学习 引入两个名词 外加电势 感生电势 感应电势 外加电势 使导体或者线圈产生电流的外接电源就称为外加电势 例如图 1 1 中的电池产生的电压 感生电势 感应电势 导体或者线圈和磁力线 磁场 相对 切 割磁力线运动 运动产生的电势 因 磁 而产生的电势 称为感 生电势或感应电势 3 左手定则 判定通电导体在磁场中偏移的方向 前面已经讲到 导体在通电时 周边就会产生磁场 那么把这个通 以电流具有磁场的导体 放置于另外一个恒定的磁场之中 由于两 个磁场之间的吸引和排斥作用 就会带动这个导体的位置发生偏移 移动 前面谈到由于磁场的方向和电流的方向有关 所以导体流 过电流的方向 也决定了这个导体在磁场中偏移的方向 这个方向 可以用伸直的左手的拇指和四指的方向来判断 图 1 10 方法如图 1 10 所示 当通电导体置于磁场中时 把左手伸直 拇指和四指垂直 磁力线 从掌心穿过 掌心向着磁场 N 极 四指所指是电流的方向 拇指就 是通电导体作切割磁力线移动的方向 图 1 10 所示中虚线箭头方向 就是导体移动的方向 4 右手定则 判定导体在磁场中作切割磁力线移动时 产生的感生 电势的方向 图 1 11 在磁场中导体作切割磁力线运动时 导体内部就会产生感生电势 如果导通的外部连接成为一个闭合回路 那么切割磁力线的导体内 部就会形成电流 这个电流的方向与导体切割磁力线的方向有关 图 1 11 所示 在图 1 11 中磁力线从右手掌心穿过 手心面对 N 极 拇指的方向是导通切割磁力线移动的方向 四指的指向就是电流的 方向 图中电流表指示为正 同样 如果导体向拇指相反的方向移动 那么 导体内部的电流方 向则和四指所指向相反 图 4 12 所示 图中电流表的指示为负 指针反相偏转 图 1 12 左手定则 是判断通电流的导体在磁场中作切割磁力线偏转的 方向 右手定则是判断导体在磁场中作切割磁力线运动时 导体内 部产生的感生电流 电势 的方向 我们根据图 1 10 和图 1 12 思考一个问题 如图 1 10 所示 当外加电源通过导体时导体向右边发生偏转并作切 割磁力线的运动 电流和四指同方向 这个偏转是因为外加电势 电池 的电流引起的 在这个偏转作切割磁力线移动的同时 显然导体 切割磁力线的运 动 内部也会出现因切割磁力线运动而产生的感生电势 图 1 12 所 示 显然这时感生电势的方向是和四指的方向相反的 通过图 1 10 和图 1 12 的显示结果得出一个结论 在同一个导体中 外加电势和 感生电势是相对抗的 外加电势加强引起导体偏移的速度和距离增 大 该导体产生对抗的感生电势也增大 对抗外加电势引起电流增 大的能力越强 在电感线圈中 外加电势和感生电势的关系 当线圈不连接外加电势时 线圈的内部没有磁场 也没有感生电势 图 1 13 所示 当外加电势的正极和负极连接于线圈上时 外加电势就会在线圈内 部形成电流 由于电流的产生 线圈内就会产生磁场 磁场的产生 磁力线由外部一根一根的飞进线圈内部 等效于线圈在切割这一 根一根飞入的磁力线 线圈内部就会因为切割磁力线而产生感生电 势 这个感生电势和外加电势也是对抗的 根据前节左右手定则的 结论 图 1 14 所示 此时外加电势引起电流的上升 受到内部产 生的感生电势的对抗 减低了上升的速度 上升一点 对抗一点 呈锯齿波形逐步上升 图 1 15 所示 图中上部是接通外加电势的波 形 下部是线圈内部电流波形 这也就是 CRT 电视机的行偏转线圈 接在行输出管的集电极 行输出管工作在开关状态 加在行偏转线 圈两端的是方形波电压 而行偏转线圈内部产生的是锯齿波的原因 图 1 13 图 1 14 图 1 15 当外加电势继续接在线圈上 线圈上的电流会继续逐步的上升 线 圈内部的磁力线密度 磁通 即会达到最大值 进入磁饱和状态 由于磁力线进入饱和状态 即磁力线不再增加 图 1 16 所示 磁力 线的不再增加也就没有了感生电势产生 此时的感生电势也就不再 产生 对抗外加电势的力量也就失去 外加电势就会再没有任何对 抗的情况下 引起的电流会急剧上升 出现危险的短路现象 这就 是 CRT 电视机行频低要烧行管的原因 在电流接近最大值状态时 流过线圈的电流维持着磁力线此存在 有电流就有磁场 这是如果立即切断外加电势 图 1 17 所示 图 1 16 图 1 17 外加电势被切断 线圈的电流也被迫切断 此时赖以维持磁通密度 的电流也失去了 没有电流就没有磁场 就好像一瞬间所有的磁力 线都迅速的逃跑了 大量的磁力线在极短的时间飞出了线圈 线圈 等于在极短时间切割了大量的磁力线 根据法拉第电磁感应定律 在线圈内部 就会产生极高的感生电势 此感生电势可以高出外加 电势几倍几十倍 并且由于是磁力线的飞出 和原来磁力线飞入相 反 感生电势方向是上负下正 和原来线圈电流增加时产生的感生 电势极性相反 图 1 18 所示 这就是为什么在 CRT 电视机的行输 出电路中 行供电只有 100 多伏特 而行管的耐压要选用 1500 伏特 的原因 行管在截止的瞬间 行输出内部的磁通迅速消失 引起行 输出的线圈短时间内切割大量磁力线产生极高的反向感生电势 加 在行管的集电极 图 1 18 结论 在电感线圈中 外加电势和感生电势始终是对抗的 外加电势 上升引起电流的上升 感生电势对抗它的上升 外加电势下降引起 电流的下降 感生电势对抗它的下降 此时感生电势和外加