电磁感应

电磁感应（Electromagnetic induction）又称磁电感应现象，是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流的现象。这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流。

1820年，丹麦物理学家汉斯·克海斯提安·奥斯特(丹麦语:Hans Christian Ørsted）发现电与磁之间的联系，并引来一系列相关的科学活动。科学期刊收到了许多描述电磁效应和试图解释它们的有关文章，哲学杂志的编辑请法拉第进行评审。面对这样大规模的实验现象和推断，法拉第开始系统地研究电磁现象。

1831年，法拉第获悉亨利（Joseph Henry）在纽约奥尔巴尼（Albany）做的实验。在这个实验中，亨利使用了电磁力非常强的电磁铁。法拉第立即有了观测力线使电磁材料产生应变的想法。他把绝缘导线缠绕在粗铁环上，从而能在铁环内产生强磁场。应变效应能用另一个缠绕在环上的线圈探测到，这个绕组与一个电流计连接以测量产生的电流。1831年10月17日，他进行了一个新的实验：向一个连接有电流计的长线圈（或螺线管）移动圆柱形磁铁时，在线圈中产生了电流。然后，1831年10月28日，他在伦敦皇家学会做了一个著名的实验，证明在社会上购买的“大马蹄形磁铁”的磁极之间旋转一个铜圆盘时，可以产生持续电流。铜圆盘的轴和边缘与电流计滑动接触，铜圆盘旋转时，指针偏转。1831年11月4日，法拉第发现在磁铁两极之间简单移动铜导线时可以产生电流。这样，在4个月内，他发明了变压器与发电机变压器与发电机。

1834年，楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）宣布澄清了电路中感应电动势的方向问题：在电路中，电动势的方向反抗磁通量的变化（楞次定律）。

1864年，麦克斯韦推断出光确实是一种电磁辐射。将法拉第的思想和发现放入数学表达式中，推导出在真空中传播的任何电磁波都以光速行进，反向验证了法拉第电磁感应定律的准确性。

法拉第电磁感应定律:因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应现象。由于这个现象是法拉第发现的，被称为法拉第电磁感应定律，计算公式为：

，n 个相同的匝组成的线圈的感应电动势计算公式：

电动势的方向由楞次定律给出，该定律指出感应电流将沿与产生它的变化相反的方向流动。

当磁通量增加时，

，这时

感为负值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相向，当磁通量减少时，

,这时

感为正值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相同。

式中n为线圈匝数，

中为磁通量变化量，单位Wb (韦伯)，

为发生变化所用时间，单位

为产生的感应电动势，单位为V(伏特，简称伏) 。电磁感应俗称磁生电，多应用于发电机。

楞次定律定义：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

楞次定律的本质:楞次定律中的“阻碍”作用，正是能量转化和守恒定律的反映，在克服这种阻碍的过程中，其他形式的能量转化为电能。

能量守恒本质上看，楞次定律可广义地表述为：感应电流的“效果”总是要反抗(或阻碍)引起感应电流。

伸开右手，使拇指跟其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入,并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。

适用于闭合电路部分导体切割磁感线产生感应电流的情况。

右手定则

麦克斯韦-法拉第方程（Maxwell-Faraday Equation）是电磁学中的一组方程之一，描述了电磁感应现象，它是由苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和英国物理学家迈克尔·法拉第分别在19世纪上半叶提出的。麦克斯韦方程组全面地反映了电磁基本规律，描述了电场、磁场与电荷密度、电流密度之间的微分方程关系。

该方程是采用磁感应强度B对时间t的偏导数形式

来表示的。

表示电场

的旋度，是一个矢量，用于描述一个矢量场的旋转情况。

表示磁场

随时间变化的速率，用于描述磁场随时间变化的情况。

运动的带电粒子在磁场中所受的磁场力即为洛伦兹力，它的大小为F=qvBsinθ，方向遵从左手定则。F为感应电动势产生的力；q为电荷量；v为电荷的速度；B为磁场强度；θ为电荷速度和磁场方向的夹角

1.法拉第电磁感应定律基本公式

磁通量变化产生感应电动势

公式为：式中，ε为感应电动势；n为线圈匝数；Φ为磁通量，

为磁通量随时间的变化率。

2.洛伦兹力

公式为：F=qvBsinθ

式中，F为感应电动势产生的力；q为电荷量；v为电荷的速度；B为磁场强度；θ为电荷速度和磁场方向的夹角。

3.感应电流产生的电动势

公式为：式中，ε为感应电动势；L为线圈的自感系数；

为电流随时间的变化率。

4.电磁感应功率

公式为：P=εi

式中，P为电磁感应产生的功率；ε为电磁感应产生的电动势；i为电流强度。

5.感应电动势的平均值

公式为：式中，

为感应电动势的平均值；T为一个周期的时间。

电磁感应作为一种重要的物理现象，在许多领域都有着广泛的应用。

利用电磁感应原理制造的发电机和电动机是电力工业的重要设备，能够将机械能转化为电能或将电能转化为机械能。

发电机是一种将机械能转化为电能的设备。在它内部的转子上装有一个绕组，转子转动时，通过磁通量的变化和导体中电场磁场的相互作用，就可以将机械能转化为电能，发电机中的电能输出通常是交流电。

电动机是一种将电能转化为机械能的设备。它的工作原理与发电机相反，是通过将电能输入至电动机的定子绕组中，加上磁铁的磁场，从而在转子上产生旋转力，使电动机的输出轴旋转，从而将电能转化为机械能，常见的电动机有交流电动机和直流电动机两种。

电动机

变压器利用电磁感应作用来实现电能的互相转换，起到升压、降压、隔离、稳压等功能。

变压器由铁芯和两个绕组组成：一个是输入绕组，也称为初级绕组，另一个是输出绕组，也称为次级绕组。

当输入绕组通过一定的电压时，输入绕组中就会形成一定的电磁场，这个电磁场会在铁芯中产生一个磁通量。当磁通量在铁芯中的方向发生改变时，次级绕组中的电磁感应就会产生一定的电势差，也就是输出电压，与输入电压相比，改变输入绕组的匝数可以改变输出绕组的电压水平。

利用电磁感应原理，在导体线圈上接入工频交流电源，生成环形电流磁场，产生感应电流一涡流。这些电流在加热线圈的导体上产生热效应，从而达到给导体线圈外部介质加热的目的。电磁感应涡流加热装置由电源供电系统、涡流感应器、导热体、传感器等几部分组成。

环形导体线圈本身并不发热，导体线圈绕组采用绝缘耐温材料进行保护，发热体内外电位差为零，不会出现类似电加热棒因内部电阳丝市穿绝缘体与外加热管壁短路，产生电火花的现象。由于发热源是导体线圈的电磁感应即涡流效应，加热部性热量均今分布，传热效果好，发热量易于控制，可有效地解决得油降粘问题，并且被加热的介质可以是各种容器里的液体、气体，防爆性能良好。

读卡器是一种能够读取磁卡信息并将其转换为数字信号的装置，其工作原理也是基于电磁感应原理。

读卡器主要由磁头、信号处理电路和输入输出接口等组成。磁头通常是由金属线圈、磁芯、压力轮和导向槽等部件组成的，负责探测磁卡表面上的微小磁场，并将其转化为电信号。

信号处理电路会对磁头读取到的电信号进行放大、滤波等处理，并转化为数字信号。数字信号经过一系列的译码、解密等处理后，才能被计算机等设备识别。，读卡器应用于银行卡、身份证、门禁卡、会员卡等许多领域。

电磁炉是一种利用电磁感应原理使导体产生热量来加热物体的电器产品。其工作原理与感应加热类似，通过电磁感应产生感应电流，使盘面上的导体发生热量，从而达到加热的效果。

电磁炉主要由盘面、线圈、电源等组成。盘面是由铁、不锈钢等导体材料制成的，线圈则围绕在盘面下方，其内部接通的电源会产生磁场。

电磁炉加热实物

当电磁炉开启时，通过电源供电，线圈中会产生一个交变磁场。因为盘面是一个良好的导体，它接收到了线圈中的电磁场并产生了感应电流，感应电流在盘面中形成了环状电流，并根据焦耳热原理使盘面上的导体产生加热。盘面上需要加热的物体与导体间的热量转移则取决于盘面表面温度、导热性以及间接接触的物体本身等因素。

磁悬浮列车利用交流电产生的磁场和列车上的超导磁体之间的相互作用力来实现悬浮和运行，是一种高速、节能、环保的交通工具。

磁悬浮列车是一种非常先进的高速列车，磁悬浮列车的主要构成部分包括磁悬浮装置、动力系统、控制系统和车辆结构等，其运行原理是基于电磁感应和超导材料的特性设计而成的。通过利用电磁感应产生的力和超导材料的磁场特性来让列车悬浮运行，从而消除了传统轨道列车与轨道之间的接触，达到了最小化空气阻力的目的，带来高速、高效、节能、安全、舒适的出行体验。

未来电磁感应技术的应用领域和发展趋势主要集中在五个方面。

1. 高效率：随着技术的进步，未来电磁感应技术将更加高效，可以将能量在传输过程中的损失降至最低。
2. 无线充电技术：电磁感应可用于无线充电技术，在家电，数码等领域将会取代有线充电，得到很好的运用。
3. 磁浮技术：电磁感应技术也可用于磁浮技术，在城市交通、高速铁路等领域将会得到广泛应用。
4. 新能源汽车充电技术：电磁感应也可用于电动汽车充电技术，特别是道路铺设感应线圈进行无线充电，目前已经在部分国家的部分道路进行测试，未来可能会在全球范围内得到广泛展开。
5. 直线电机：电磁感应技术也为直线电机的发展提供了有利条件，该技术可以在医疗设备、机械制造等领域使用。

展开[a]

在电磁感应现象中产生的电动势叫作感应电动势，产生感应电动势的那部分导体就相当于电源,导体的电阻相当于电源的内阻。

[b]

一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置

展开[1]楚江亭. 法拉第和物理知识 . 太原: 山西教育出版社 , 2015: 4-7. (3)

[2]Liang Yin, ZhengYong Ren, HongBo Yao, Cong Yang. A finite volume method for global electromagnetic induction forward modeling on collocated unstructured grids[J]. 地球与行星物理（英文版）, 2023-02-28, 7(1): 57-65. [2023-05-10].

[3]吕炜. 高中物理电磁感应在生活中的应用[J]. 数理化解题研究, 2022-08-08, (22): 98-100. [2023-05-10].

[4]周文涵. 基于电磁感应原理制作手摇发电机[J]. 中国高新区, 2019-01-01, (3): 121-122. [2023-05-10].

[5]吴明眼. 电磁感应现象及其在生活中应用[J]. 信息记录材料, 2020-06-28, 21(6): 247-248. [2023-05-10].

[6]蔡薇. 谈谈感应电动势、感生电动势、动生电动势[J]. 中国校外教育（理论）, 2009-01-01, (11): 151. [2023-05-10].

[7]贾起民. 电磁学 . 北京: 高等教育出版社, 2001: 7. (2)

[8]王磊，陈钢，聂娅. 大学物理学 . 北京: 高等教育出版社, 2009: 17-21. (4)

[9]董定辉. 如何统一"左手定则"和"右手定则"[J]. 科教导刊, 2017-01-01, (34): 143-144,147. [2023-05-10].

[10]周晓泉. 法拉第--麦克斯韦方程的微分形式[J]. 职大学报, 2001-01-01, 12(2): 6-8. [2023-05-10].

[11]王珍惠. 从多方面认识洛伦兹力[J]. 中学物理（高中版）, 2012-01-01, 30(6): 80-81. [2023-05-10].

[12]赵长海, 行志钢. 电磁感应涡流加热技术[J]. 油气田地面工程, 2003-01-01, 22(5): 77. [2023-05-10].

[13]徐敬. 基于QT的Mifare IC卡读卡器上位机软件设计与实现[J]. 电脑知识与技术, 2021-11-30, 17(33): 124-126. [2023-05-06].

[14]许卓, 赵山, 黄友朋, 肖勇, 林国营. 智能终端音频读卡器在移动智能缴费系统的应用与研究[J]. 电测与仪表, 2015-01-01, 52(z1): 156-159,169. [2023-05-06].

[15]磁悬浮列车[J]. 创新科技, 2012-01-01, (10): 56-56. [2023-05-06].

[16]邓自刚, 刘宗鑫, 李海涛, 张卫华. 磁悬浮列车发展现状与展望[J]. 西南交通大学学报, 2022-06-28, 57(3): 455-474,530. [2023-05-06].

[17]钮月萍, 龚尚庆, 金石琦, 李儒新, 徐至展. 利用电磁感应透明原理操控高效率四波混频场的产生[C]. 中国科学院上海光学精密机械研究所强光光学开放实验室,201800,上海市嘉定区清河路390号, 2004-11-02: 996-1002. [2023-05-10].

[18]杜瑞华, 雷国莉, 王凌峰, 程戎, 颜冲. 电磁感应式无线供电用软磁片研究进展[J]. 磁性材料及器件, 2020-03-30, 51(2): 58-63. [2023-05-06].

[19]宋佳昕, 史高峰, 李蕾. 手机无线充电技术市场及未来趋势分析[J]. 中国市场, 2019-01-01, (25): 61-62. [2023-05-10].

[20]孙章, 蒲琪, 杨耀. 高速铁路与磁浮技术的发展历程及展望[J]. 科学（上海）, 2006-01-01, 58(3): 1-4. [2023-05-06].

[21]江雪峰. 基于电磁感应的新能源汽车低温充放电技术研究[J]. 长春工程学院学报（自然科学版）, 2022-09-30, 23(3): 47-51. [2023-05-06].

[22]王玉英. 直线电机概述[J]. 百科论坛电子杂志, 2020-07-31, (14): 1753. [2023-05-06].

[23]王道成, 高有存, 陈建峰. 直线电机的应用[J]. 煤矿机械, 2005-01-01, (2): 104-105. [2023-05-06].