下面我们来介绍电磁感应定律。电磁感应定律实际上有两部分组成,第一部分是法拉第电磁感应定律,第二个是楞次定律。研究电磁感应定律的基本方法,用实验的方法来抓住磁通变化这个核心问题进行讨论。下面我们来观察条形磁铁接近和离开线圈的同时,电流指针变化情况。
下面我们研究电磁感应定律。如果将一个条形磁铁穿向线圈中,那么既然线圈两端的电流表指针即将发生偏转,如果磁铁不动,而电流表指针也不动,如果将磁铁又从线圈中取出,电流表指针与插入时偏转方向正好相反。由此可见,当通过线圈的磁通发生变化时,不论是什么原因引起磁通的变化,都会在线圈的两端产生感应电动势,而且磁通变化越快,感应电动势就越大,指针偏转的角度就越大。因此感应电动势大小,正比磁通的变化率。
根据前面的实验,那么我们定义如果是对于一匝线圈,也就单匝线圈,感应电动势的大小就是磁通的变化率,如果有n匝线圈也就多匝线圈的时候,感应电动势的大小
,其中ΔΨ=ΔNΦ,我们把Ψ=NΦ称为磁链。
所以n匝线圈的感应电动势是单匝线圈的感应电动势的n倍,所以公式表明了单匝线圈匝链的磁通在1秒内变化1Wb时,线圈的端点电压为1V。法拉第电磁感应定律,解决了感应电动势与磁通变化率之间的关系,但是并没有说明感应电动势的方向。
法拉第电磁感应定律,解决了磁通的变化率与感应电动势之间的关系。但没有解决反应电动势的方向。那么解决感应电动势的方向是什么呢?就是楞次定律。
感应电动势方向的是楞次定律,是这样子描述的:感生电流总是试图维持原磁通不变,这就是楞次定律。那么楞次定律这样的一个定义,还有没有其他解释?我们可以总结出来和牛顿的惯性定律一样,他是磁场的惯性定律,另外一个维持原磁通不变,就是阻碍变化。
下面我们来研究电磁能量的关系。
那么为什么要讨论能量呢?我们从源头开始分析,有电流就会产生磁场,载流导体在磁场当中又会受到力的作用。我们知道有力就会产生运动,有运动就要做功,要做功就必须要有能量,有能量就要有存储的地方,移动能量需要时间和场地就会引起状态的改变。我想这就是为什么要讨论能量的原因。
下面我们来研究电路输入到磁场的能量。
请看右图,环形线圈它的截面积是A,它的磁性的平均周长是l,半径是r,在环形磁芯上绕了N匝线圈,线圈的两端接到电源,电源的电压为u,这样子就有电流流入线圈。根据电磁感应定律,输入电压
也就是说线圈中磁感应密度的变化量。那么线圈中磁通的增长相应的磁化电流为
那么电路输入到磁场的能量为
把i和u的表达式代入式中就是
。
前面我们介绍了由电路输入到磁场的能量为We,如果在经过时间t以后,线圈中的磁场达d,那么我们对We的求解可以更换积分变量,由变量t改为B,所以得到了
那么其中唯一的话是磁性的体积,它的大小等于Al,那么通过计算以后我们又得到了从电路来的能量直接存储到磁性当中,也就是说存储的磁场能量,磁场力量用Wm表示,
那么经过分析计算以后等于
那么我们把BH/2存储在磁场中能量我们称为磁能积。那么单位体积的磁场能量是磁场强度与磁感应强度乘积的1/2,
。
前面我们介绍了储存在磁场当中能量的计算方法。我们看一下,如果环形磁芯它的输入端接到了正斜波电压处相位是0的这样的一个电压波形,那么在磁线当中磁化的时候产生的磁感应强度会适合一个角度α。那么假设我们是积分周期从-Br积分到+Bm,再从+Bm来积分到+Br,那么对应的磁化特新曲线就是我们右图说-Br积分到S,那么这个曲线包围的面积就是A1的面积,如果从S点由去磁去到+Br那个时候和纵轴包围的面积就是A2这个面积,这么能量时回送给电源的能量,而A1这个面积是从电路从电源获得的能量。
下面我们对本章的学习做一些小结,主要有这两个方面。
第一,只要有电流,不管是恒定的还是变化的,都会产生磁场。
第二,磁场用磁力线形象的描述,磁力线是无头无尾的光滑曲线,其切线方向表示磁场方向,在磁铁的内部,磁力线是由南极指向北极,在外部是由北极指向南极。