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邁克爾·法拉第（Michael Faraday）于1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應揭示了磁場和電流之間的迷人關(guān)系，從根本上改變了我們對能源產(chǎn)生的理解。電磁感應原理意味著不斷變化的磁場可以在導體中感應出電流，從而消除了電池產(chǎn)生電流的必要性。

乍一看，磁鐵以其神秘的品質(zhì)和無形的力量吸引著我們。然而，意識到這些看似普通的物體與推動和塑造我們?nèi)粘Ｉ畹募夹g(shù)的許多方面錯綜復雜地聯(lián)系在一起，這確實令人矚目。

想象一下，一個熙熙攘攘的城市，街道被無數(shù)的路燈照亮，工廠嗡嗡作響，電器嗡嗡作響。有沒有想過所有這些電力是如何產(chǎn)生的？簡而言之，這一切都源于電磁感應的概念。

速石科技即將推出一個全新的模擬類別，使用戶能夠在云中進行電磁模擬。最初，重點將放在靜磁仿真上，但隨著時間的推移，電磁仿真功能將逐漸擴展，以涵蓋廣泛的工業(yè)應用。

在本文中，我們將深入研究電磁感應的有趣世界，探索使其成為現(xiàn)代技術(shù)基石的原理、機制和實際應用。

磁場基礎(chǔ)

為了掌握電磁感應的概念，建立對磁場性質(zhì)的基本認識是有幫助的。磁場與電場不同，并且可能更具理解性。

在電磁學領(lǐng)域，術(shù)語“磁場”是指兩個緊密相連并由符號表示的矢量場B和H.
B是磁通密度，單位為特斯拉[T]而H是磁場強度，單位為[A/m].

與直接來自單個電荷的電場不同，由于沒有磁電荷，磁場以細微的方式產(chǎn)生。此外，沒有磁電荷會導致磁力線（更準確地說，磁通密度B）總是形成沒有任何開始或結(jié)束的閉環(huán)。這里，磁場是指磁通密度B.

在沒有磁電荷的情況下，磁場的產(chǎn)生是通過間接方式發(fā)生的。自然界的固有原理是電荷的運動，包括移動的電子，會產(chǎn)生磁場。這適用于流經(jīng)導線的電流，因為電流涉及許多電子的集體運動。因此，通過導線的連續(xù)（DC）電流會產(chǎn)生磁場，在導線周圍形成圓形圖案，如圖1所示。

磁力線具有獨特的性質(zhì)，有助于理解磁場的行為\（B\）。這些線形成閉合和連續(xù)的曲線，這意味著它們創(chuàng)建了一個沒有任何中斷的循環(huán)。磁力線的密度表示磁場的強度。當線條擁擠或間隔很近時，它表示強磁場。相反，隨著與物體距離的增加，線的密度降低，反射出較弱的磁場。

此外，磁力線永遠不會相交或交叉。如果發(fā)生這樣的交點，交點處的切線將指示不同的方向，這與磁場的性質(zhì)相矛盾。這僅在字段不為零的點上是正確的。

圖 3：磁力線。將兩個磁鐵放在一張紙下，并在上面撒上鐵粉。粉末與磁力線對齊。
左：導致吸引磁場的不同磁極配置;右：類似的磁極配置導致排斥磁場。

法拉第電磁感應定律

法拉第感應定律是電磁學領(lǐng)域的基石，提供了對磁場和電流之間關(guān)系的深刻理解。這一原理是由著名科學家邁克爾·法拉第于1831年發(fā)現(xiàn)的。

法拉第感應定律的核心是，只要導體和磁場之間存在相對運動，電路中就會感應出電動勢（EMF），并且該電動勢的大小與磁通量的變化率成正比。因此，我們知道磁場可以用來產(chǎn)生電壓（即電動勢）。如果存在閉合電路，則電流將在該電路中流動。

導線周圍的磁場

讓我們從一個簡單的電流流過導線的例子來解釋這個定律。在上一節(jié)中，我們了解到當電流流過導線時，導線周圍會產(chǎn)生磁場。特別是這種現(xiàn)象就是所謂的安培定律。

如果將這根導線纏繞成線圈，該線圈周圍的磁場會顯著增強。這是因為通過在線圈中添加更多環(huán)路，每個單獨的環(huán)路產(chǎn)生的磁場組合在一起，沿線圈中心產(chǎn)生聚焦磁場。下圖說明了這種相互作用，該圖描繪了一個松散纏繞的線圈。

隨著線圈纏繞得更緊，磁場沿線圈的整個長度分布得更均勻。線圈的磁場強度不僅可以通過增加電流來增強，還可以通過增加線圈內(nèi)的環(huán)路數(shù)量來增強。

當線圈又長又直時，它被稱為螺線管，可以產(chǎn)生與條形磁鐵均勻性非常相似的磁場。

電磁感應的實際應用

現(xiàn)在，如果我們要從線圈中移除電流并用位于線圈內(nèi)的條形磁鐵替換空磁芯會怎樣？當我們操縱這個條形磁鐵的位置，將其向內(nèi)拉并向外推時，線圈內(nèi)磁通量的物理運動將在其內(nèi)感應出電流。

同樣，如果我們要將條形磁鐵固定到位，而是在磁場中來回移動線圈，線圈內(nèi)會產(chǎn)生電流。因此，通過移動線圈或改變磁場，我們可以在線圈內(nèi)感應電壓和電流。這種現(xiàn)象被稱為電磁感應。

為了增加清晰度，請記住存在與條形磁鐵相關(guān)的磁場;磁場線穿過線圈。換句話說，線圈上有磁通量。這種磁通量的變化可以通過移動磁鐵或線圈來完成，這是感應電動勢的原因，因此在線圈中產(chǎn)生電流。

下面的圖5通過振鏡非常清楚地展示了這一過程。電流計是用于測量電流的機電設(shè)備。

通過將電線連接到該儀器，它具有檢測電線內(nèi)是否存在電流的能力。在沒有電流的情況下，振鏡的指針將向左移動，而電流的發(fā)生將促使向刻度的右側(cè)移動。

在這里，電線纏繞在鐵芯上，磁鐵進出鐵芯。通過這種運動，通過電線的磁通量正在發(fā)生變化，并且在電線中感應出電流。當磁鐵停止時，振鏡指針不會移動，因為導線中沒有電流。從本質(zhì)上講，磁鐵或鐵芯是運動物體并不重要。只要通過導線的磁通量發(fā)生變化，導線中就會感應出電動勢，從而導致電流計檢測到電流。

影響感應電動勢強度的因素

現(xiàn)在的問題是，什么會影響感應電動勢的強度，在閉合電路的情況下，會影響電流量。主要有三個影響因素：

增加線圈的匝數(shù)：通過在線圈上增加更多的導線匝數(shù)，總感應電動勢（EMF）會放大。這是因為線圈的每個單獨匝都有助于整體電動勢，從而產(chǎn)生累積效應。例如，如果線圈中有 100 圈，由于磁場相互作用的增加，感應電動勢將比單根導線大 100 倍。
提高線圈和磁鐵之間的相對運動速度：當線圈以更高的速度通過磁場時，它切斷磁力線的速率會增加。結(jié)果，決定感應電動勢的磁鏈會加劇。因此，線圈的更快運動提高了電磁感應的效率，從而產(chǎn)生了更高的感應電動勢。
增強磁場強度：如果線圈移動的磁場變強，線圈相交的磁力線數(shù)量也會增加。這種升高的磁場密度轉(zhuǎn)化為更大的磁通鏈，導致更高的感應電動勢。通過操縱磁場的強度，我們可以通過電磁感應有效地控制感應電動勢的大小。

楞次電磁感應定律

楞次定律是電磁感應的基本原理，它幫助我們了解磁場發(fā)生變化時感應電流的方向。該定律由俄羅斯物理學家海因里?！惔模℉einrich Lenz）于1834年提出，基于能量守恒定律，并闡明了磁場與感應電流之間的關(guān)系。

感應電流的方向

根據(jù)楞次定律，感應電流總是以與引起它的磁場變化相反的方向流動。 換句話說，感應電流產(chǎn)生一個磁場，其作用方向與原始磁場相反。這種行為可歸因于磁場與導體中帶電粒子之間的相互作用。

為了可視化此概念，請想象一個場景，其中磁鐵向?qū)Ь€環(huán)移動，類似于上一節(jié)圖5中的示例。當磁體接近環(huán)路時，通過環(huán)路的磁通量增加。根據(jù)楞次定律，回路中的感應電流將以這樣的方式流動，從而產(chǎn)生與入射磁場相反的磁場。這個相反的磁場有助于減緩磁通量的變化并節(jié)省能量。

同樣，如果磁體遠離環(huán)路，則通過環(huán)路的磁通量會降低。楞次定律規(guī)定，感應電流現(xiàn)在將沿相反方向流動，以產(chǎn)生抵抗磁通量減少的磁場。這個相反的磁場有助于保持整體磁通量，并堅持節(jié)能原則。

電磁感應背景下的節(jié)能

在這種情況下，我們談?wù)撃芰渴睾?，但首先我們應該真正了解磁場中的能量實際上來自哪里。簡而言之，磁場的能量來自引起它的電流。

考慮一個基本電路，其中電源通過導線向電阻器提供能量。一旦系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，導線周圍就會形成恒定的磁場，從而存儲傳輸?shù)哪芰俊?/p>

這種能量轉(zhuǎn)移遵循楞次定律的原理，該定律是牛頓第三定律的磁性對應物。楞次定律可以概括為每當磁場發(fā)生變化時產(chǎn)生相反的電場。這種相反的電場，通常稱為反電動勢（反電動勢），是為了抵消磁場的變化而出現(xiàn)的。

在給定的場景中，當電源被激活時，電線會產(chǎn)生一個磁場，開始在它們周圍形成。當這個磁場經(jīng)歷從零到非零值的過渡時，倫茨定律規(guī)定產(chǎn)生抵消這種變化的電場。

該電場在電路中以電壓的形式變得明顯。相反的電壓持續(xù)到電流達到其極限穩(wěn)態(tài)值。因此，電流不能經(jīng)歷瞬時變化，而是在特定時間間隔內(nèi)逐漸從零發(fā)展到最終幅度。

此外，隨著電流的增加，導線兩端存在壓降。電壓和電流的存在意味著功耗。雖然實際導線固有地會經(jīng)歷電阻損耗，例如發(fā)熱，但在這個特定示例中，我們將忽略這些損耗。

在這種情況下遇到的功率對應于轉(zhuǎn)移到導線周圍磁場中的能量。與加速汽車所需的能量類似，必須考慮增加電路變化率所需的能量，即電流。

楞次定律可以被視為自然界確保能量守恒的一種機制。能量守恒是一個基本原則，楞次定律闡明了在磁場領(lǐng)域如何堅持這一原則。

渦流

渦流是暴露于不斷變化的磁場時在導電材料中產(chǎn)生的感應循環(huán)電流。 這些漩渦流以流水中看到的漩渦命名，是磁場和導體之間相互作用的有趣表現(xiàn)。

當導體（例如金屬板）受到變化的磁場時，通過導體的磁通量會隨著時間的推移而變化。結(jié)果，根據(jù)法拉第電磁感應定律，導體中感應出電動勢，產(chǎn)生渦流。

這些電流在導體內(nèi)以閉環(huán)形式循環(huán)，產(chǎn)生局部磁場，與原始磁場的變化相反。通常，任何導致磁場強度或方向變化的因素都可能導致導體內(nèi)渦流的發(fā)生。

與流過導體的任何電流類似，渦流會產(chǎn)生自己的磁場。根據(jù)楞次定律，感應電流的方向，例如渦流，使得產(chǎn)生的磁場與產(chǎn)生它的磁場的變化相反。

圖6顯示了移動導電金屬板和固定磁鐵之間的相互作用。當薄片接近磁體的左邊緣時，它會遇到越來越大的磁場，導致產(chǎn)生逆時針渦流。這些渦流產(chǎn)生自己的磁場，與外部磁場相反，產(chǎn)生一種稱為磁阻力或磁阻尼的現(xiàn)象。

當導電金屬板遠離磁體邊緣時，它會離開磁場，導致磁場方向發(fā)生變化。這種變化會在片材內(nèi)引起順時針渦流，從而產(chǎn)生向下的磁場。因此，這種向下的磁場吸引外部磁鐵，導致阻力的產(chǎn)生。

渦流的實際意義

渦流會產(chǎn)生各種影響，其中一些可能是有利的，而另一些則可能導致不良后果。一個顯著的影響是由于渦流遇到的電阻而在導體內(nèi)產(chǎn)生熱量。這種現(xiàn)象在感應加熱等應用中很常見，在這些應用中，利用受控的渦流來加熱各種工業(yè)過程中的物體。

但是，在某些情況下，渦流會導致能量損失和不良影響。例如，在變壓器和電動機中，渦流引起的熱量耗散在整個過程中是能源浪費。

為了最大限度地減少功率損耗，變壓器通常采用疊層鐵芯，如下圖7所示。與實心芯不同，層壓芯由薄鋼層壓組成，表面有非導電涂層。這種配置可防止渦流在層壓之間穿過，從而限制它們在每個單獨的層壓內(nèi)流動。通過將渦流限制在較小的區(qū)域內(nèi)，它們的幅度顯著減小，從而降低磁芯內(nèi)的能量耗散。

如果您來自CFD背景，這與渦流脫落的概念非常相似，以及如何打破渦流（渦流）以減少它們對目標結(jié)構(gòu)的影響。

此外，渦流可能會對磁制動系統(tǒng)產(chǎn)生影響，它們在旋轉(zhuǎn)的金屬盤或圓柱體內(nèi)產(chǎn)生會產(chǎn)生拖曳力，從而減慢運動速度。該原理用于磁力制動器和渦流阻尼器等設(shè)備。

電磁感應的應用

了解磁場和電流之間的關(guān)系使科學家和工程師能夠開發(fā)各種設(shè)備和系統(tǒng)，利用電磁感應實現(xiàn)各種目的。

其中一些應用程序是：

發(fā)電
電力變壓器
感應電機
無線充電
磁懸浮

變壓器中的電磁感應

電磁感應最重要的應用之一是變壓器。變壓器在配電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，可實現(xiàn)長距離高效電力傳輸并實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。變壓器的工作原理是基于兩個線圈之間的相互感應，稱為初級線圈和次級線圈。

變壓器在能量守恒定律下起作用，該定律指出能量既不能被創(chuàng)造也不能被破壞，只能被轉(zhuǎn)換。因此，變壓器不發(fā)電，它只是改變電壓以適應用戶的需求。變壓器通過電磁感應過程實現(xiàn)這種電壓變化。

當交流電（AC）流過初級線圈時，它會在其周圍產(chǎn)生變化的磁場。這種變化的磁場通過電磁感應在次級線圈中感應出電壓。

通過調(diào)整每個線圈的匝數(shù)，變壓器可以根據(jù)電網(wǎng)的要求升壓或降壓電壓水平。這種能力確保電能可以在高電壓下長距離傳輸，從而減少功率損耗，然后可以將其轉(zhuǎn)換為適合消費者使用的較低電壓。

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