基本介紹
- 中文名：電磁感應線
- 外文名：Electromagnetic induction line
- 別稱：磁感線
- 提出者：法拉第
- 提出時間：1852年
- 套用學科：物理
- 適用領域範圍：電磁場
原理,電磁學理論,
原理
電磁感應的本質可以追塑到麥克斯韋電磁場理論：變化的磁場在周圍空間產生電場，當導體處在此電場中時，導體中的自由電子在電場力作用下作定向移動而產生電流即感應電流；如果不是閉合迴路，則導體中自由電子的定向移動使斷開處兩端積累正、負電荷而產生電勢差----感應電動勢。
電磁學理論
1837年法拉第引入了電場和磁場的概念，指出電和磁的周圍都有場的存在，這打破了牛頓力學“超距作用”的傳統觀念。1838年，他提出了電力線的新概念來解釋電、磁現象，這是物理學理論上的一次重大突破。1843年，法拉第用有名的“冰桶實驗”，證明了電荷守恆定律。1852年，他又引進了磁力線的概念，從而為經典電磁學理論的建立奠定了基礎。後來，英國物理學家麥克斯韋用數學工具研究法拉第的力線理論，最後完成了經典電磁學理論。
法拉第發現電磁感應現象並不是一帆風順的，而是經過了十年的艱苦探索。1821年,法拉第開始轉向電磁學研究,他發現了磁極繞著載流導線轉動和載流導線繞磁鐵轉動的現象,這種現象稱為電磁旋轉現象。通過電磁旋轉的實驗,使他想到,既然電對磁有作用,一定有磁對電的反作用；既然電流能產生磁,則磁也一定能產生電流。1822年,他在日記上寫下了他的光輝思想：“磁能產生電流”，並以此作為自己研究的戰略目標。從1824年到1831年他經歷了一系列的失敗,在《法拉第日記》中,明確記載的失敗的實驗就有三次。1824年12月28日,他把強磁鐵放在接有檢流計的電流線圈內期望會改變導線中的電流,結果沒有發現檢流計指針偏轉。1825年11月28日,他將導線迴路放在另一通電迴路附近,期望在導線迴路中能感應出電流,但也沒有發現任何效應。1828年4月22日,他把磁鐵穿入一個懸掛起來的銅線環內,期望環內產生感應電流,但把其它磁鐵與導線放在一起時,卻沒有任何效應產生。
實驗沒有得到他預想的結果。雖然經受了這一系列的失敗,但動搖不了他對自然力的統一性懷有的堅定的信念。他堅信電與磁的相互轉化,磁一定可以轉化為電。他說：“一方面,各種電流都伴隨有相應強度的磁作用,它的方向與電流的方向呈直角；而另一方面,若將電流良導體放入有磁作用的環境中,在導體內竟然完全不會引起感應電流,也不產生可覺察的等效於這種電流的作用，這是很不平常的。”“對這些問題及其後果的考慮,再加上想從普通磁中獲得電的希望,時時激勵著我從實驗上去探求電流的感應效應。”正在此時,英國物理學家斯特金髮明了電磁鐵。他在一塊原來沒有磁性的軟鐵上繞以導線,通電以後,軟鐵就變成具有了強磁性的磁鐵。這一發明對法拉第的進一步研究有一定的啟發和幫助。
1831年8月29日,法拉第在日記中記述了他第一次成功的實驗。他在軟鐵環的A邊繞了三個線圈,可以串聯起來使用,也可以分開使用。在B邊以同樣的方向繞兩個線圈。他把B邊的線圈接到檢流計上,把A邊的線圈接到電池組上。當電路接通時,法拉第看到檢流計的指針立即發生明顯的偏轉、振盪,然後停止在原來的位置上。這表明線圈B中出現了感應電流。當電路A斷開時,他又看到指針向相反方向偏轉。把A邊的三個線圈串聯成一個線圈重做以上實驗,對磁針產生的效應比以前更加強烈。他看到B邊的感應電流是明顯的,又是瞬時的,只在A邊斷開和接上電源時的瞬間產生。
在第一次發現之後,法拉第繼續進行了大量的實驗,探討電磁感應產生的條件。他提出這樣的問題：是否可以用其它方法產生同樣的效應?鐵環是必需的嗎?線圈A是必需的嗎?
9月24日,法拉第在兩條磁棒的N、S極之間放上一條帶有線圈的圓鐵棒,線圈與一檢流計連線。他發現當圓鐵棒接觸N、S極和脫離N、S極時,檢流計的指針就會偏轉。他指出.這一效應不是永恆的而是瞬時的,“因此,在這裡磁轉化為電是清楚的。”
10月1日,他把兩條長203英寸的絲包銅線繞在木筒上。其中一個線圈和檢流計相連線,另一個線圈和電池相連線。他發現當電流接通和斷開的瞬間,“對電流計的指針有影響,但是如此之小,以至於很難感覺到。因此在沒有鐵心的情形下也有感應效應。”
10月17日,法拉第用另一種方式得到了感應效應。他在直徑為0.75 英寸長為8.5 英寸的空心紙筒上繞了8層螺旋線,把8層線圈並聯後再接到檢流計上。當他把磁鐵棒迅速地插入螺線管時,檢流計的指針就偏轉了,然後又迅速地拉出來，指針在相反的方向上發生了偏轉。他說：“每次把磁棒插進或拉出時,這效應都會重複,因此電的波動只是從磁鐵的接近而不是磁鐵停止在那裡產生的。"
10月28日,他把一個空心螺線管迅速送入一對大的磁極之間,檢流計的磁針受到強烈的影響，然後又迅速的取出，磁針同樣受到強烈影響。這是在磁鐵與線圈有相對運動時所產生的一種效應。
1831年10月24日,法拉第在提交給皇家學會的一篇論文中,把產生感應電流的情況概括成5類：變化著的電流,變化著的磁場,運動的穩恆電流,運動的磁鐵,在磁場中運動的導體。他在《電學的實驗研究》第19節中還講到感應電流的方向。他寫道：“當一條載流導線與另一條與之平行的導線相互接近時，感應電流方向與施感電流的方向相反,它們彼此排斥,反抗互相接近；當兩線離開時,感應電流的方向與施感電流的方向相同,它們彼此吸引,反抗互相分離。”但這只是確定感應電流方向的一個特例,還沒有提出確定感應電流方向的普遍法則。他在《電學的實驗研究》第119節中指出：當一塊金屬通過磁極前面或兩極之間時,所產生的電流與運動方向成直角。據此理由他解釋了阿拉果實驗,當圓盤在磁場中旋轉時,感應電流的方向近似沿半徑方向,在盤內形成閉合的感應電流,即渦電流,這個電流趨向於阻止磁針和圓盤的相對運動,因此磁針就隨著圓盤轉動起來。
從10月底到11月初,法拉第進行了他著名的圓盤實驗。他在一個銅軸上安裝了扁平的銅盤,把它放在磁鐵的兩極間,用一根導線從銅軸上引出,另一根導線與銅盤邊緣接觸,然後把這兩根導線與電流計相連線,當銅盤轉動時,指針就發生了偏轉。當反方向轉動時,指針的偏轉方向相反。在銅盤繼續轉動時,指針持續地偏轉。這就是一台原始的發電機,通過銅盤的機械轉動而產生了電流。
與此同時,法拉第還用磁感應線概念來解釋電磁感應現象。他在《電學的實驗研究》第231節中指出：“相對於磁鐵運動的金屬中存在的感應電流取決於金屬橫切的磁感應線。”
1832年,法拉第發現在相同條件下不同金屬導體中產生的感應電流與導體的導電能力成正比(歐姆定律已在1826年得出),他由此意識到在電磁感應中產生了感應電動勢。這個電動勢與導體的性質無關,只取決於導線和磁力的相互作用。在閉合迴路中感應電動勢產生了感應電流,在開路中沒有感應電流,但感應電動勢還存在。
