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電力趣事 | 趣味電磁學(四)什麼是法拉第電磁感應定律

1820年,丹麥物理學家奧斯特在做載流導線的實驗時,首次發現載流導線的電流會產生作用力於磁針,使磁針改變方向。由此,電流的磁效應開始被人研究並應用。

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自從科學家們發現電流產生磁場後,他們便開始思考“反過來也應該成立”。在小學生科普讀物中有下面這樣的一副圖:將磁石套上環圈,用手上下移動,會發現外接的小燈泡被點亮。

上述的現象在物理學上有一個專業術語,叫做“電磁感應”。19世紀,美國的亨利和英國的法拉第幾乎在同一時間發現了這一現象。11年前,奧斯特首次發現通電導體具有磁效應;11年後,科學家發現無論轉動磁石還是導體線圈,都會產生電流。由此,後世高深的電磁學才初步形成了一點雛形。

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經典的電磁學是建立在電磁感應的基礎上,而瞭解“何為電磁感應”還需從洛倫茲力開始講起。與宏觀的牛頓經典力學不同,洛倫茲力的研究物件是電荷。首先,課本上的洛倫茲力公式及示意圖是這樣的

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看不懂沒關係,我們首先想象這樣一個場景:我們把圓圈狀的導體放入垂直的磁場中並轉動它,像下圖中這樣,那麼導體中的電子在磁場中會發生什麼呢?我們根據右手螺旋定理來判斷電荷受到的洛倫茲力方向,洛倫茲力F方向垂直於電荷運動v方向和磁場B方向形成的平面,所以導體中電子受到的力方向是向下的。

接著,我們將磁場從左至右逐漸減小,方向不變,那麼圓圈中的電子受力由什麼變化呢?由於圓圈左側磁場較大,那麼力也比較大,圓圈右側磁場較小,力比較小,導體線圈左半部分和右半部分受力會有明顯的差異。

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那這樣左右受力差異在宏觀上又表現為什麼呢?想想水車,水從高處流向衝擊水車一側,左側受力較大,右側受力小,水的重力勢能轉化為水車的動能,進而帶動水車轉動。上圖導體線圈中的電子也是同理,導體內的電子全部受到向左轉的合力,內部形成與電子運動方向相反的電流。

對,來電了

意識到上述電磁感應效應的人正是法拉第,現在我們已經知道將導線放置於變化的磁場中會發生流動電流。那如果把導線拿掉,放入一個電子,又會發生什麼呢?答案是,電子會動起來,沒有導線也能產生電場!事實上,電磁感應的本質就是“變化的磁場激發電場”,與導線內電子或一個電子並沒區別。

現在迴歸正題,法拉第發現了磁場的變化和產生的電場之間關係成立的定律如下。考慮到上述”電子獨立存在於磁場中“的情形,而感應電流通常也只有在形成閉合通路的前提下才會存在,故而法拉第電磁感應定律研究的是感應電勢與變化磁場之間的關係。

電力趣事 | 趣味電磁學(四)什麼是法拉第電磁感應定律

電磁感應的定律是”閉合環圈的感應電勢和穿透其中的磁通量的時間變化率一致“。類似於上期的安培定律,不管什麼樣的路徑,都要沿著閉合的圈來計算積分迴路中的磁通量。

至於等式右邊的負號,負符號就是感應電流激發磁場後,來抵消磁通量變化的方向。以下圖為例,當左邊磁石向下運動遠離線圈時,根據法拉第電磁感應定律,閉合線圈會產生向上的磁場,感應電流是逆時針方向;當右邊磁石向上運動靠近線圈時,根據法拉第電磁感應定律,閉合線圈會產生向下的磁場,感應電流是順時針方向。

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