什么是电磁感应?

时间:2022-09-11 20:38:23   作者:
如果电线被缠绕成一个线圈,磁场就会大大增强,在它周围产生一个静态磁场,形成一个条形磁铁的形状,给出一个明显的北极和南极。

静态磁场

线圈周围发展的磁通量与线圈绕组中流动的电流量成正比,如图所示。如果将更多的导线层绕在流经它们的电流相同的线圈上,静态磁场强度将会增加。

因此,线圈的磁场强度由线圈的安培匝数决定。线圈内的线圈匝数越多,其周围的静电磁场强度就越大。

但是如果我们把这个想法颠倒过来,把电流从线圈中分离出来,而不是用一个空心的铁芯,我们把一个条形磁铁放在线圈的铁芯中。通过移动这个条形磁铁在和出线圈,电流会感应到线圈内的磁通的物理运动。

同样地,如果我们保持条形磁铁静止,并在磁场中来回移动线圈,线圈中就会感应到电流。然后,通过移动导线或改变磁场,我们可以在线圈内感应电压和电流,这个过程被称为电磁感应,它是变压器、电机和发电机运行的基本原理。

电磁感应最早是在1830年由迈克尔·法拉第发现的。法拉第注意到,当他把永磁体移进移出一个线圈或一个线圈时,它会感应出电动势或电动势,换句话说,电压,因此就产生了电流。

所以迈克尔·法拉第发现了一种在电路中产生电流的方法只利用磁场的力,而不是电池。这就引出了连接电和磁的一个非常重要的定律,法拉第电磁感应定律。那么这是怎么做到的呢?

当磁铁向线圈移动时,振镜的指针或针,这基本上是一个非常敏感的中心归零的动圈安培计,将偏离其中心位置只在一个方向上。当磁铁停止移动并相对于线圈保持静止时,由于磁场没有物理运动,电流计的指针返回到零。

同样地,当磁铁从线圈的另一个方向移动远离时,电流计的指针转向与第一个方向相反的方向,表明极性的变化。然后,通过向线圈前后移动磁铁,电流计的指针将偏转左或右,正或负,相对于磁铁的方向运动。

磁铁的方向运动

同样地,如果磁铁现在是静止的,只有线圈移动到磁铁或远离磁铁,电流计的针也会在任何一个方向偏转。然后,通过磁场移动线圈或线圈的动作在线圈中感应电压,该感应电压的大小与运动的速度或速度成正比。

然后我们可以看到,磁场运动得越快,线圈中的感应电动势或电压就越大,所以法拉第定律要成立,必须有“相对运动”或在线圈和磁场之间运动,磁场,线圈或两者都可以运动。


法拉第归纳定律


根据上面的描述,我们可以说,电压和变化的磁场之间存在着一种关系,迈克尔·法拉第著名的电磁感应定律指出:当导体和磁场之间存在相对运动时,电路中就会感应到电压,而电压的大小与磁通的变化率成正比。

换句话说,电磁感应是利用磁场产生电压,在闭合电路中产生电流的过程。所以多少电压(电动势)可以感应到线圈仅使用磁性。这是由以下三个不同的因素决定的。

1)。增加线圈中线圈的匝数-通过增加单个导体穿过磁场的量,产生的感应电动势的量将是线圈中所有单个线圈的总和,因此,如果有20匝线圈中会有20倍多的感应电动势比在一根线。

2)。增加线圈和磁铁之间的相对运动的速度-如果相同的线圈导线通过相同的磁场,但其速度或速度增加,导线将以更快的速度切断磁通量线,因此会产生更多的感应电动势。

3)。增加磁场的强度-如果相同的线圈导线以相同的速度通过一个更强的磁场,会产生更多的电动势,因为有更多的力线切割。

如果我们能够在图表中移动磁铁在线圈中以恒定的速度和距离而不停止,我们将产生一个连续的感应电压,在一个正极性和负极性之间交替产生交流或交流输出电压,这是发电机如何工作的基本原理,类似于那些在发电机和汽车发电机中使用的发电机。

在像自行车发电机这样的小型发电机中,一块小的永磁体在固定线圈内的自行车车轮的作用下旋转。另外,由固定直流电压供电的电磁铁可以在固定线圈内旋转,例如在两种情况下都产生交流电的大型发电机中。

交流电

上面简单的发电机式发电机由一个围绕中心轴旋转的永磁体和一个线圈放置在这个旋转磁场旁边。当磁铁旋转时,线圈顶部和底部周围的磁场在北极和南极之间不断变化。这种磁场的旋转运动导致交变电动势被感应到线圈中,这是由法拉第电磁感应定律定义的。

电磁感应的大小与磁通密度成正比,β是给出导体总长度的线圈的数量,l单位为米,和导体内部磁场变化的速率或速度,ν,单位为米/秒,由动势表达式给出:

动势表达式

如果导体不以与磁场成直角(90°)移动,则角θ°将加入上述表达式,使输出随着角度的增加而减少:

表达式

法拉第定律告诉我们向导体诱导电压可以通过让它通过磁场来实现,或者通过让磁场经过导体如果这个导体是闭合电路的一部分,就会产生电流。这个电压被称为感应电动势,因为它是由电磁感应引起的不断变化的磁场感应到导体中的,法拉第定律中的负号告诉我们感应电流的方向(或感应电动势的极性)。

但是,不断变化的磁通量会在线圈中产生不断变化的电流,线圈本身也会产生磁场,就像我们在电磁学教程中看到的那样。这种自感应电动势反对引起它的变化,电流变化率越快,反电动势就越大。根据楞兹定律,这种自感应电动势会反对线圈中电流的变化,由于其方向,这种自感应电动势通常被称为反电动势。

楞兹定律指出:感应电动势的方向是这样的,它将始终反对引起它的变化。换句话说,感应电流总是与最初引起感应电流的运动或变化相反,这一思想在电感的分析中得到了证明。

同样地,如果磁通量减少,那么感应电动势将通过产生和感应磁通量增加到原始磁通量来反对这种减少。楞兹定律是电磁感应中决定感应电流流动方向的基本定律之一,与能量守恒定律有关。根据能量守恒定律,宇宙中的总能量将永远保持不变,因为能量不能被创造,也不能被摧毁。楞兹定律是由迈克尔·法拉第归纳定律推导出来的。

最后再来谈谈关于电磁感应的楞兹定律。我们现在知道,当导体和磁场之间存在相对运动时,导体内部就会感应出电动势。但是导体实际上可能不是线圈电路的一部分,而是线圈铁芯或系统的其他金属部分,例如,变压器。在这个系统的金属部分内的感应电动势导致循环电流在它周围流动,这种类型的核心电流被称为涡流。

由电磁感应产生的涡流在线圈核心或任何连接在磁场内的金属部件周围循环,因为对于磁通量来说,它们就像一圈线圈。涡流对系统的有用性没有任何贡献,但相反,它们通过像一个产生电阻加热和核心内的功率损失的负力反对感应电流的流动。然而,也有电磁感应炉的应用,其中只有涡流用于加热和熔化铁磁性金属。

电磁感应

上述变压器铁芯中磁通量的变化会引起电动势,不仅在一次绕组和二次绕组中,而且在铁芯中。铁芯是良导体,所以在固体铁芯中感应的电流会很大。此外,涡流的流动方向,根据楞兹定律,减弱了由初级线圈产生的通量。因此,初级线圈中需要产生给定的B场的电流增加了,所以沿H轴的迟滞曲线更胖。

楞兹定律

涡流和迟滞损失虽然不能完全消除,但可以大大降低。变压器或线圈的磁芯材料不是固体铁芯,而是层压磁路。这些薄片是非常薄的绝缘金属条(通常有清漆)连接在一起,产生一个坚实的核心。叠片增加了铁芯的电阻,从而增加了铁芯对涡流流动的整体阻力,从而降低了铁芯内的感应涡流功率损失,这也是变压器和电机的磁铁回路全部叠片的原因。
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