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邁克爾·法拉第（Michael Faraday）于1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)揭示了磁場(chǎng)和電流之間的迷人關(guān)系，從根本上改變了我們對(duì)能源產(chǎn)生的理解。電磁感應(yīng)原理意味著不斷變化的磁場(chǎng)可以在導(dǎo)體中感應(yīng)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(wú)形的力量吸引著我們。然而，意識(shí)到這些看似普通的物體與推動(dòng)和塑造我們?nèi)粘Ｉ畹募夹g(shù)的許多方面錯(cuò)綜復(fù)雜地聯(lián)系在一起，這確實(shí)令人矚目。

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

速石科技即將推出一個(gè)全新的模擬類別，使用戶能夠在云中進(jìn)行電磁模擬。最初，重點(diǎn)將放在靜磁仿真上，但隨著時(shí)間的推移，電磁仿真功能將逐漸擴(kuò)展，以涵蓋廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

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

磁場(chǎng)基礎(chǔ)

為了掌握電磁感應(yīng)的概念，建立對(duì)磁場(chǎng)性質(zhì)的基本認(rèn)識(shí)是有幫助的。磁場(chǎng)與電場(chǎng)不同，并且可能更具理解性。

在電磁學(xué)領(lǐng)域，術(shù)語(yǔ)“磁場(chǎng)”是指兩個(gè)緊密相連并由符號(hào)表示的矢量場(chǎng)B和H.
B是磁通密度，單位為特斯拉[T]而H是磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為[A/m].

與直接來(lái)自單個(gè)電荷的電場(chǎng)不同，由于沒有磁電荷，磁場(chǎng)以細(xì)微的方式產(chǎn)生。此外，沒有磁電荷會(huì)導(dǎo)致磁力線（更準(zhǔn)確地說(shuō)，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(chǎng)是指磁通密度B.

在沒有磁電荷的情況下，磁場(chǎng)的產(chǎn)生是通過(guò)間接方式發(fā)生的。自然界的固有原理是電荷的運(yùn)動(dòng)，包括移動(dòng)的電子，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這適用于流經(jīng)導(dǎo)線的電流，因?yàn)殡娏魃婕霸S多電子的集體運(yùn)動(dòng)。因此，通過(guò)導(dǎo)線的連續(xù)（DC）電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在導(dǎo)線周圍形成圓形圖案，如圖1所示。

圖 1：線圈周圍的磁力線。矢量顯示圍繞每根導(dǎo)線形成環(huán)路的磁力線

磁力線具有獨(dú)特的性質(zhì)，有助于理解磁場(chǎng)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(gè)沒有任何中斷的循環(huán)。磁力線的密度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)度。當(dāng)線條擁擠或間隔很近時(shí)，它表示強(qiáng)磁場(chǎng)。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(chǎng)。

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

圖 3：磁力線。將兩個(gè)磁鐵放在一張紙下，并在上面撒上鐵粉。粉末與磁力線對(duì)齊。
左：導(dǎo)致吸引磁場(chǎng)的不同磁極配置;右：類似的磁極配置導(dǎo)致排斥磁場(chǎng)。

法拉第電磁感應(yīng)定律

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

法拉第感應(yīng)定律的核心是，只要導(dǎo)體和磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電路中就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)（EMF），并且該電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比。因此，我們知道磁場(chǎng)可以用來(lái)產(chǎn)生電壓（即電動(dòng)勢(shì)）。如果存在閉合電路，則電流將在該電路中流動(dòng)。

導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)

讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的電流流過(guò)導(dǎo)線的例子來(lái)解釋這個(gè)定律。在上一節(jié)中，我們了解到當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。特別是這種現(xiàn)象就是所謂的安培定律。

如果將這根導(dǎo)線纏繞成線圈，該線圈周圍的磁場(chǎng)會(huì)顯著增強(qiáng)。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)在線圈中添加更多環(huán)路，每個(gè)單獨(dú)的環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)組合在一起，沿線圈中心產(chǎn)生聚焦磁場(chǎng)。下圖說(shuō)明了這種相互作用，該圖描繪了一個(gè)松散纏繞的線圈。

隨著線圈纏繞得更緊，磁場(chǎng)沿線圈的整個(gè)長(zhǎng)度分布得更均勻。線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度不僅可以通過(guò)增加電流來(lái)增強(qiáng)，還可以通過(guò)增加線圈內(nèi)的環(huán)路數(shù)量來(lái)增強(qiáng)。

當(dāng)線圈又長(zhǎng)又直時(shí)，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(chǎng)。

電磁感應(yīng)的實(shí)際應(yīng)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(huì)怎樣？當(dāng)我們操縱這個(gè)條形磁鐵的位置，將其向內(nèi)拉并向外推時(shí)，線圈內(nèi)磁通量的物理運(yùn)動(dòng)將在其內(nèi)感應(yīng)出電流。

同樣，如果我們要將條形磁鐵固定到位，而是在磁場(chǎng)中來(lái)回移動(dòng)線圈，線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電流。因此，通過(guò)移動(dòng)線圈或改變磁場(chǎng)，我們可以在線圈內(nèi)感應(yīng)電壓和電流。這種現(xiàn)象被稱為電磁感應(yīng)。

為了增加清晰度，請(qǐng)記住存在與條形磁鐵相關(guān)的磁場(chǎng);磁場(chǎng)線穿過(guò)線圈。換句話說(shuō)，線圈上有磁通量。這種磁通量的變化可以通過(guò)移動(dòng)磁鐵或線圈來(lái)完成，這是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因，因此在線圈中產(chǎn)生電流。

下面的圖5通過(guò)振鏡非常清楚地展示了這一過(guò)程。電流計(jì)是用于測(cè)量電流的機(jī)電設(shè)備。

通過(guò)將電線連接到該儀器，它具有檢測(cè)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(dòng)，而電流的發(fā)生將促使向刻度的右側(cè)移動(dòng)。

在這里，電線纏繞在鐵芯上，磁鐵進(jìn)出鐵芯。通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電線的磁通量正在發(fā)生變化，并且在電線中感應(yīng)出電流。當(dāng)磁鐵停止時(shí)，振鏡指針不會(huì)移動(dòng)，因?yàn)閷?dǎo)線中沒有電流。從本質(zhì)上講，磁鐵或鐵芯是運(yùn)動(dòng)物體并不重要。只要通過(guò)導(dǎo)線的磁通量發(fā)生變化，導(dǎo)線中就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，從而導(dǎo)致電流計(jì)檢測(cè)到電流。

影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)強(qiáng)度的因素

現(xiàn)在的問(wèn)題是，什么會(huì)影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)度，在閉合電路的情況下，會(huì)影響電流量。主要有三個(gè)影響因素：

增加線圈的匝數(shù)：通過(guò)在線圈上增加更多的導(dǎo)線匝數(shù)，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（EMF）會(huì)放大。這是因?yàn)榫€圈的每個(gè)單獨(dú)匝都有助于整體電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生累積效應(yīng)。例如，如果線圈中有 100 圈，由于磁場(chǎng)相互作用的增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將比單根導(dǎo)線大 100 倍。
提高線圈和磁鐵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：當(dāng)線圈以更高的速度通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，它切斷磁力線的速率會(huì)增加。結(jié)果，決定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的磁鏈會(huì)加劇。因此，線圈的更快運(yùn)動(dòng)提高了電磁感應(yīng)的效率，從而產(chǎn)生了更高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度：如果線圈移動(dòng)的磁場(chǎng)變強(qiáng)，線圈相交的磁力線數(shù)量也會(huì)增加。這種升高的磁場(chǎng)密度轉(zhuǎn)化為更大的磁通鏈，導(dǎo)致更高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)操縱磁場(chǎng)的強(qiáng)度，我們可以通過(guò)電磁感應(yīng)有效地控制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。

楞次電磁感應(yīng)定律

楞次定律是電磁感應(yīng)的基本原理，它幫助我們了解磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)感應(yīng)電流的方向。該定律由俄羅斯物理學(xué)家海因里希·倫茨（Heinrich Lenz）于1834年提出，基于能量守恒定律，并闡明了磁場(chǎng)與感應(yīng)電流之間的關(guān)系。

感應(yīng)電流的方向

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

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

同樣，如果磁體遠(yuǎn)離環(huán)路，則通過(guò)環(huán)路的磁通量會(huì)降低。楞次定律規(guī)定，感應(yīng)電流現(xiàn)在將沿相反方向流動(dòng)，以產(chǎn)生抵抗磁通量減少的磁場(chǎng)。這個(gè)相反的磁場(chǎng)有助于保持整體磁通量，并堅(jiān)持節(jié)能原則。

電磁感應(yīng)背景下的節(jié)能

在這種情況下，我們談?wù)撃芰渴睾悖紫任覀儜?yīng)該真正了解磁場(chǎng)中的能量實(shí)際上來(lái)自哪里。簡(jiǎn)而言之，磁場(chǎng)的能量來(lái)自引起它的電流。

考慮一個(gè)基本電路，其中電源通過(guò)導(dǎo)線向電阻器提供能量。一旦系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)線周圍就會(huì)形成恒定的磁場(chǎng)，從而存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)物。楞次定律可以概括為每當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生相反的電場(chǎng)。這種相反的電場(chǎng)，通常稱為反電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)），是為了抵消磁場(chǎng)的變化而出現(xiàn)的。

在給定的場(chǎng)景中，當(dāng)電源被激活時(shí)，電線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，開始在它們周圍形成。當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)經(jīng)歷從零到非零值的過(guò)渡時(shí)，倫茨定律規(guī)定產(chǎn)生抵消這種變化的電場(chǎng)。

該電場(chǎng)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(dá)到其極限穩(wěn)態(tài)值。因此，電流不能經(jīng)歷瞬時(shí)變化，而是在特定時(shí)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(dǎo)線兩端存在壓降。電壓和電流的存在意味著功耗。雖然實(shí)際導(dǎo)線固有地會(huì)經(jīng)歷電阻損耗，例如發(fā)熱，但在這個(gè)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(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)移到導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)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(jī)制。能量守恒是一個(gè)基本原則，楞次定律闡明了在磁場(chǎng)領(lǐng)域如何堅(jiān)持這一原則。

渦流

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

當(dāng)導(dǎo)體（例如金屬板）受到變化的磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)導(dǎo)體的磁通量會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。結(jié)果，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生渦流。

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

與流過(guò)導(dǎo)體的任何電流類似，渦流會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的方向，例如渦流，使得產(chǎn)生的磁場(chǎng)與產(chǎn)生它的磁場(chǎng)的變化相反。

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

當(dāng)導(dǎo)電金屬板遠(yuǎn)離磁體邊緣時(shí)，它會(huì)離開磁場(chǎng)，導(dǎo)致磁場(chǎng)方向發(fā)生變化。這種變化會(huì)在片材內(nèi)引起順時(shí)針渦流，從而產(chǎn)生向下的磁場(chǎng)。因此，這種向下的磁場(chǎng)吸引外部磁鐵，導(dǎo)致阻力的產(chǎn)生。

渦流的實(shí)際意義

渦流會(huì)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(dǎo)致不良后果。一個(gè)顯著的影響是由于渦流遇到的電阻而在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生熱量。這種現(xiàn)象在感應(yīng)加熱等應(yīng)用中很常見，在這些應(yīng)用中，利用受控的渦流來(lái)加熱各種工業(yè)過(guò)程中的物體。

但是，在某些情況下，渦流會(huì)導(dǎo)致能量損失和不良影響。例如，在變壓器和電動(dòng)機(jī)中，渦流引起的熱量耗散在整個(gè)過(guò)程中是能源浪費(fèi)。

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(shí)心芯不同，層壓芯由薄鋼層壓組成，表面有非導(dǎo)電涂層。這種配置可防止渦流在層壓之間穿過(guò)，從而限制它們?cè)诿總€(gè)單獨(dú)的層壓內(nèi)流動(dòng)。通過(guò)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(lái)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(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的影響。

此外，渦流可能會(huì)對(duì)磁制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，它們?cè)谛D(zhuǎn)的金屬盤或圓柱體內(nèi)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生拖曳力，從而減慢運(yùn)動(dòng)速度。該原理用于磁力制動(dòng)器和渦流阻尼器等設(shè)備。

電磁感應(yīng)的應(yīng)用

了解磁場(chǎng)和電流之間的關(guān)系使科學(xué)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(yīng)實(shí)現(xiàn)各種目的。

其中一些應(yīng)用程序是：

發(fā)電
電力變壓器
感應(yīng)電機(jī)
無(wú)線充電
磁懸浮

變壓器中的電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)最重要的應(yīng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高效電力傳輸并實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。變壓器的工作原理是基于兩個(gè)線圈之間的相互感應(yīng)，稱為初級(jí)線圈和次級(jí)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(yīng)用戶的需求。變壓器通過(guò)電磁感應(yīng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)這種電壓變化。

當(dāng)交流電（AC）流過(guò)初級(jí)線圈時(shí)，它會(huì)在其周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。這種變化的磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓。

通過(guò)調(diào)整每個(gè)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(zhǎng)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(fèi)者使用的較低電壓。

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