電磁感應

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法拉第鐵圈實驗示意圖:左邊線圈磁通量的改變,會在右邊線圈感應出電流。[1]

電磁感應Electromagnetic induction),是指放在變化磁通量中的導體,會產生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢感生電動勢,若將此導體閉合成一迴路,則該電動勢會驅使電子流動,形成感應電流感生電流)。

麥可·法拉第是一般被認定為於1831年發現了感應現象的人,雖然Francesco Zantedeschi英語Francesco Zantedeschi在1829年的工作可能對此有所預見。法拉第發現產生在閉合迴路上的電動勢和通過任何該路徑所包圍的曲面的磁通量的變化率成正比,這意味著,當通過導體所包圍的曲面的磁通量變化時,電流會在任何閉合導體內流動。這適用於當磁場本身變化時或者導體運動於磁場時。電磁感應是發電機感應馬達變壓器和大部分其他電力設備的操作的基礎。

定律[編輯]

感應電動勢由法拉第電磁感應定律給出:

 \mathcal{E} = - {{\Delta\Phi_B} \over \Delta t} ,

其中

\mathcal{E}是單位為伏特電動勢
ΦB是單位為韋伯的磁通量。當\Delta t趨近於零時,此式表示瞬時感應電動勢,否則表示一段時間的平均感應電動勢。

對於除了特殊情況外,一般來說,繞著同一區域有N匝迴路的線圈,電磁感應的法拉第電磁感應定律表明

 \mathcal{E} = - N{{\Delta\Phi_B} \over \Delta t}

其中

\mathcal{E}是單位為伏特電動勢
N是線圈匝數。
ΦB是單位為韋伯的穿過一個迴路的磁通量。

進一步的,冷次定律給出了感應電動勢的方向如下:

電路上所誘導出的電動勢的方向,總是使得它所驅動的電流,會阻礙原先產生它(即電動勢)的磁通量之變化。

所以冷次定律決定了上面方程式中的負號。

動生電動勢[編輯]

「×"表示存在垂直螢幕向里的勻強磁場,v為運動方向,v×B指向電勢較高的一端。

導體以垂直於磁感線的方向在磁場中運動,在同時垂直於磁場和運動方向的兩端產生的電動勢,稱為動生電動勢。

動生電動勢是由於導體中載流子在磁場中運動受到垂直於磁場和運動方向的洛侖茲力的作用,在導體內移動的結果。當洛侖茲力和導體內電勢差產生的電場力平衡時,導體兩端電動勢穩定。此時:

 \mathcal{E} =BLv

 \mathcal{E} 是導體兩端電動勢, B磁感應強度L 是產生電動勢的兩端的距離, v是導體運動速度。

導體棒接入一個迴路時,動生電動勢也可以認為是由於導體運動,使得迴路面積改變而使磁通量變化,產生的電動勢。

\mathcal{E}=\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}=\frac{B\Delta S}{\Delta t}=\frac{BL\Delta x}{\Delta t}=BLv[2]

感生電動勢[編輯]

由於導體置於變化的電場而產生的電動勢,稱為感生電動勢。

變化的磁場會產生渦旋電場,導體中載流子在其中運動一周降低的電動勢就是感生電動勢,滿足:

\mathcal{E}=\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} [3]

應用[編輯]

電磁感應原理用於很多設備和系統,包括:

參看[編輯]

外部連結[編輯]

參考[編輯]

  1. ^ Giancoli, Douglas C. Physics: Principles with Applications Fifth. 1998: 623–624. 
  2. ^ 趙志敏. 高中物理競賽教程. 拓展篇. 復旦大學出版社. : P327. ISBN 978-7-309-08250-0 (中文(中國大陸)‎). 
  3. ^ 趙志敏. 高中物理競賽教程. 拓展篇. 復旦大學出版社. : P336-337. ISBN 978-7-309-08250-0 (中文(中國大陸)‎). 
  • David J. Griffiths. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. 1998. ISBN 013805326X. 
  • Paul Tipler. Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. 2004. ISBN 0716708108. 
  • J.S. Kovacs and P. Signell, Magnetic induction(2001), Project PHYSNET document MISN-0-145.