法拉第電磁感應定律1發現歷程概述法拉第定律最初是一條基于觀察的實驗定律。后來被正式化，其偏導數的限制版本，跟其他的電磁學定律一塊被列麥克斯韋方程組的現代赫維賽德版本。法拉第電磁感應定律是基于法拉第于1831年所作的實驗。這個效應被約瑟·亨利于大約同時發現，但法拉第的發表時間較早。于1834年由波羅的海德國科學家海因里希·楞次發現的楞次定律，提供了感應電動勢的方向，及生成感應電動勢的電流方向。提出問題1820年H.C.奧斯特發現電流磁效應后，有許多物理學家便試圖尋找它的逆效應，提出了磁能否產生電，磁能否對電作用的問題。研究1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測量地磁強度時，偶然發現金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據這個現象做了銅盤實驗，發現轉動的銅盤會帶動上方自由懸掛的磁針旋轉，但磁針的旋轉與銅盤不同步。稍滯后，電磁阻尼和電磁驅動是最早發現的電磁感應現象，但由于沒有直接表現為感應電流，當時未能予以說明。定律提出1831年8月，法拉第在軟鐵環兩側分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關，形成有電源的閉合回路。實驗發現，合上開關，磁針偏轉；切斷開關，磁針反向偏轉，這表明在無電池組的線圈中出現了感應電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態效應。緊接著他做了幾十個實驗，把產生感應電流的情形概括為5類：變化的電流，變化的磁場，運動的恒定電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導體，并把這些現象正式定名為電磁感應。進而，法拉第發現，在相同條件下不同金屬導體回路中產生的感應電流與導體的導電能力成正比，他由此認識到，感應電流是由與導體性質無關的感應電動勢產生的，即使沒有回路沒有感應電流，感應電動勢依然存在。后來，給出了確定感應電流方向的楞次定律以及描述電磁感應定量規律的法拉第電磁感應定律。并按產生原因的不同，把感應電動勢分為動生電動勢和感生電動勢兩種，前者起源于洛倫茲力，后者起源于變化磁場產生的有旋電場。2區分電磁感應現象不應與靜電感應混淆。電磁感應將電動勢與通過電路的磁通量聯系起來，而靜電感應則是使用另一帶電荷的物體使物體產生電荷的方法。3定律簡介電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯系和轉化，對其本質的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯系，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方面都有廣泛的應用。若閉合電路為一個n匝的線圈，則又可表示為：式中n為線圈匝數，ΔΦ為磁通量變化量，單位Wb，Δt為發生變化所用時間，單位為s.ε為產生的感應電動勢，單位為V.4計算公式電磁感應定律1)E=n*ΔΦ/Δt（普適公式）{法拉第電磁感應定律，E：感應電動勢(V)，n：感應線圈匝數，ΔΦ/Δt磁通量的變化率}2)E=BLVsinA(切割磁感線運動)E=BLV中的v和L不可以和磁感線平行，但可以不和磁感線垂直，其中角A為v或L與磁感線的夾角。{L:有效長度(m)}3)Em=nBSω（交流發電機最大的感應電動勢）{Em:感應電動勢峰值}4)E=B(L^2)ω/2（導體一端固定以ω旋轉切割）{ω：角速度(rad/s)，V:速度(m/s)}5感應電流1．電路是閉合且通的2．穿過閉合電路的磁通量發生變化電磁感應定律(如果缺少一個條件，就不會有感應電流產生).感應電動勢的種類：動生電動勢和感生電動勢。動生電動勢是因為導體自身在磁場中做切割磁感線運動而產生的感應電動勢，其方向用右手定則判斷，使大拇指跟其余四個手指垂直并且都跟手掌在一個平面內，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向導體運動方向，則其余四指指向動生電動勢的方向。動生電動勢的方向與產生的感應電流的方向相同。右手定則確定的動生電動勢的方向符合能量轉化與守恒定律。感生電動勢是因為穿過閉合線圈的磁場強度發生變化產生渦旋電場導致電流定向運動。其方向符合楞次定律。右手拇指指向磁場變化的反方向，四指握拳，四指方向即為感應電動勢方向。6電動勢要使閉合電路中有電流，這個電路中必須有電源，因為電流是由電源的電動勢引起的。在電磁感應現象里，既然閉合電路里有感應電流，那么這個電路中也必定有電動勢，在電磁感應現象中產生的電動勢叫做感應電動勢。感應電動勢分為感生電動勢和動生電動勢。感生電動勢的大小跟穿過閉合電路的磁通量改變的快慢有關系，E=ΔΦ/Δt.產生動生電動勢的那部分做切割磁力線運動的導體就相當于電源。理論和實踐表明，長度為l的導體，以速度v在此感應強度為B的勻強磁場中做切割磁感應線運動時，在B、L、v互相垂直的情況下導體中產生的感應電動勢的大小為：ε=BLv式中的單位均應采用國際單位制，即伏特、特斯拉、米每秒。電磁感應現象中產生的電動勢。常用符號E表示。當穿過某一不閉合線圈的磁通量發生變化時，線圈中雖無感應電流，但感應電動勢依舊存在。當一段導體在勻強磁場中做勻速切割磁感線運動時，不論電路是否閉合，感應電動勢的大小只與磁感應強度B、導體長度L、切割速度v及v和B方向間夾角θ的正弦值成正比，即E=BLvsinθ(θ為B,L,v三者間通過互相轉化兩兩垂直所得的角)。在導體棒不切割磁感線時，但閉合回路中有磁通量變化時，同樣能產生感應電流。應用楞次定律可以判斷電流方向。7重要意義法拉第的實驗表明，不論用什么方法，只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有電流產生。這種現象稱為電磁感應現象，所產生的電流稱為感應電流。法拉第根據大量實驗事實總結出了如下定律：電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。感應電動勢用ε表示，即ε=nΔΦ/Δt這就是法拉第電磁感應定律。電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它揭示了電、磁現象之間的相互聯系。法拉第電磁感應定律的重要意義在于，一方面，依據電磁感應的原理，人們制造出了發電機，電能的大規模生產和遠距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方面都有廣泛的應用。人類社會從此邁進了電氣化時代。8應用發電機由法拉第電磁感應定律因電路及磁場的相對運動所造成的電動勢，是發電機背后的根本現象。當永久性磁鐵相對于一導電體運動時（反之亦然），就會產生電動勢。如果電線這時連著電負載的話，電流就會流動，并因此產生電能，把機械運動的能量轉變成電能。例如，鼓輪發電機。另一種實現這種構想的發電機就是法拉第碟片。注意使用分析，或直接用洛倫茲力定律，都能得出使用實心導電碟片運作不變的這一結果。在法拉第碟片這一例子中，碟片在與碟片垂直的均勻磁場中運動，導致一電流因洛倫茲力流到向外的軸臂里。明白機械運動是如何成為驅動電流的必需品，是很有趣的一件事。當生成的電流通過導電的邊沿時，這電流會經由安培環路定理生成出一磁場。因此邊沿成了抵抗轉動的電磁鐵（楞次定律一例）。經轉動中軸臂返回的電流，通過右邊沿到達底部的電刷。此一返回電流所感應的磁場會抵抗外加的磁場，它有減少通過電路那邊通量的傾向，以此增加旋轉帶來的通量。經轉動中軸臂返回的電流，通過左邊沿到達底部的電刷。感應磁場會增加電路這邊的通量，減少旋轉帶來的通量。所以，電路兩邊都生成出抵抗轉動的電動勢。盡管有反作用力，需要保持碟片轉動的能量，正等于所產生的電能（加上由于摩擦、焦耳熱及其他消耗所浪費的能量）。所有把機械能轉化成電能的發電機都會有這種特性。雖然法拉第定律經常描述發電機的運作原理，但是運作的機理可以隨個案而變。當磁鐵繞著靜止的導電體旋轉時，變化中的磁場生成電場，就像麥克斯韋-法拉第方程描述的那樣，而電場就會通過電線推著電荷行進。這個案叫感應電動勢。另一方面，當磁鐵靜止，而導電體運動時，運動中的電荷的受到一股磁力（像洛倫茲力定律所描述的那樣），而這磁力會通過電線推著電荷行進。這個案叫動生電動勢。電動機發電機可以“反過來”運作，成為電動機。例如，用法拉第碟片這例子，設一直流電流由電壓驅動，通過導電軸臂。然后由洛倫茲力定律可知，行進中的電荷受到磁場B的力，而這股力會按佛來明左手定則訂下的方向來轉動碟片。在沒有不可逆效應（如摩擦或焦耳熱）的情況下，碟片的轉動速率必需使得dΦB/dt等于驅動電流的電壓。變壓器法拉第定律所預測的電動勢，同時也是變壓器的運作原理。當線圈中的電流轉變時，轉變中的電流生成一轉變中的磁場。在磁場作用范圍中的第二條電線，會感受到磁場的轉變，于是自身的耦合磁通量也會轉變（dΦB/dt）。因此，第二個線圈內會有電動勢，這電動勢被稱為感應電動勢或變壓器電動勢。如果線圈的兩端是連接著一個電負載的話，電流就會流動。電磁流量計法拉第定律可被用于量度導電液體或等離子體狀物的流動。這樣一個儀器被稱為電磁流量計。在磁場B中因導電液以速率為v的速度移動。楞次定律：具有這樣的方向，即感應電流的總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。楞次定律還可表述為：感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。楞次定律（Lenz'slaw）是一條電磁學的定律，可以用來判斷由電磁感應而產生的電動勢的方向。它是由俄國物理學家海因里希·楞次（HeinrichFriedrichLenz）在1834年發現的。1834年，物理學家（H.F.E.Lenz，1804-1865）在概括了大量實驗事實的基礎上，總結出一條判斷感應電流方向的規律，稱為（Lenzlaw）。簡單的說就是“來拒去留”的規律，這就是楞次定律的主要內容。楞次定律是在中的具體體現。1難點分析從靜到動的一個飛躍學習“楞次定律”之前所學的“電場”和“磁場”只是局限于“靜態場”考慮，而“楞次定律”所涉及的是變化的磁場與感應電流的磁場之間的相互關系，是一種“動態場”，并且“靜到動”是一個大的飛躍，所以學生理解起來要困難一些。內容、關系的復雜性“楞次定律”涉及的物理量多，關系復雜。產生感應電流的原磁場與感應電流的磁場兩者都處于同一線圈中，且感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，它們之間既相互依賴又相互排斥。如果不明確指出各物理量之間的關系，使學生有一個清晰的思路，勢必造成學生思路混亂，影響學生對該定律的理解。學生知識、能力的不足要能理解“楞次定律”必須具備一定的思維能力，而大多數學生抽象思維和空間想象能力還不是很強，對物理知識的理解、判斷、分析、推理常常表現出一定的主觀性、片面性和表面性，所以在某些問題的理解上容易出差錯。學生運用楞次定律大多數要依靠右手定則，但有時候運用右手定則是完全不夠的，要靈活的轉變思考方向，可能是反的也可能轉不止一道彎才能得出正確的答案。2突破難點楞次定律阻礙對“阻礙”二字的理解：要正確全面地理解“楞次定律”必須從“阻礙”二字上下功夫，這里起阻礙作用的是“感應電流的磁場”，它阻礙“原磁通量的變化”，不是阻礙原磁場，也不是阻礙原磁通量。不能認為“感應電流的磁場必然與原磁場方向相反”或“感應電流的方向必然和原來電流的流向相反”。所以“楞次定律”可理解為：當穿過閉合回路的磁通量增加時，相應感應電流（‘增加的磁通量’所感應的電流）的磁場方向總是與原磁場方向相反；當穿過閉合回路的磁通量減小時，相應感應電流（‘減小的磁通量’所感應的電流）的磁場方向總是與原磁場方向相同。另外“阻礙”不能理解為“阻止”，應認識到，原磁場是主動的，感應電流的磁場是被動的，原磁通量仍然要發生變化，阻止不了，而感應電流的磁場只是起阻礙作用而已。感應電流的磁場的存在只是減弱了穿過電路的總磁通量變化的速度，而不會改變原磁場的變化特征和方向。例如：當增大感應電流的磁場時，原磁場也將在原方向上一直增大，只是增大得比沒有感應電流的磁場時慢一點而已。如果磁通量變化被阻止，則感應電流就不會繼續產生。無感應電流，就更談不上“阻止”了。判定感應電流方向（1）明確原磁場的方向及磁通量的變化情況（增加或減少）；（2）確定感應電流的磁場方向，依“增反減同”確定；（3）用安培定則確定感應電流的方向。弄清最基本的因果關系“楞次定律”所揭示的這一因果關系可用上文的第2張圖表示。感應磁場與原磁場磁通量變化之間阻礙與被阻礙的關系：原磁場磁通量的變化是因，感應電流的產生是果，原因引起結果，結果又反作用于原因，二者在其發展過程中相互作用，互為因果。與能量轉化的關系“楞次定律”是能量轉化和守恒定律在電磁運動中的體現，符合能量守恒定律，感應電流的磁場阻礙引起感應電流的原磁場的磁通量的變化，因此，為了維持原磁場磁通量的變化，就必須有動力作用，這種動力克服感應電流的磁場的阻礙作用做功，將其他形式的能轉變為感應電流的電能，所以“楞次定律”中的阻礙過程，實質上就是能量轉化的過程。所以，感應電流遵從楞次定律所描述的方向，是能量守恒定律的必然結果。理解“楞次定律”從反抗效果的角度來理解：感應電流的效果，總是要反抗產生感應電流的原因，這是“楞次定律”的另一種表述。依這一表述，“楞次定律”可推廣為：①阻礙原磁通量的變化。②阻礙（導體的）相對運動（由導體相對磁場運動引起感應電流的情況）。可以理解為“來者拒，去者留”。與之相關的解題方法電流元法：在整個導體上取幾段電流元，判斷電流元受力情況，從而判斷導體受力情況等效磁體法：將導體等效為一個條形磁鐵，進而作出判斷躲閃法：“增反減同”的方法確定。阻礙相對運動法：產生的感應電流總是阻礙導體相對運動。變壓器變壓器（Transformer）是利用的來交流的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和（）。在電器設備和電路中，常用作升降電壓、匹配，安全隔離等。主要有：電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等。按用途可以分為：配電變壓器、電力變壓器、全密封變壓器、組合式變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器、單相變壓器、變壓器、整流變壓器等。1成分結構變壓器組成部件包括器身（鐵芯、繞組、絕緣、）、變壓器油、油箱和冷卻裝置、調壓裝置、保護裝置（吸濕器、安全、氣體、儲油柜及測溫裝置等）和出線套管。2工作原理變壓器是變換、交變電流和的器件，上海碩工——變壓器當初級線圈中通有流時，鐵芯（或）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。3相關功能變壓器的功能主要有：電壓變換；電流變換，阻抗變換；隔離；穩壓（磁飽和變壓器）;自耦變壓器；高壓變壓器（干式和油浸式）等，變壓器常用的鐵芯形狀一般有E型和C型鐵芯，XED型，ED型CD型。變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時，于另一組線圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓，而感應的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。變壓器一般指連接交流電源的線圈稱之為「一次線圈」(Primarycoil);而跨于此線圈的電壓稱之為「一次電壓.」。在二次線圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線圈與二次線圈問的「匝數比」所決定的。因此，變壓器區分為升壓與降壓變壓器兩種。大部份的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有一次與二次的線圈。基于鐵材的高導磁性，大部份磁通量局限在鐵芯里，因此，兩組線圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線圈與鐵芯二者間緊密地結合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數比相同。因此，變壓器之匝數比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。由于此項升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現代化電力系統之一重要附屬物，提升輸電電壓使得長途輸送電力更為經濟，至于降壓變壓器，它使得電力運用方面更加多元化，吾人可以如是說，倘無變壓器，則現代工業實無法達到目前發展的現況。電子變壓器除了體積較小外，在電力變壓器與電子變壓器二者之間，并沒有明確的分界線。一般提供60Hz電力網絡之電源均非常龐大，它可能是涵蓋有半個洲地區那般大的容量。電子裝置的電力限制，通常受限于整流、放大，與系統其它組件的能力，其中有些部份屬放大電力者，但如與電力系統發電能力相比較，它仍然歸屬于小電力之范圍。各種電子裝備常用到變壓器，理由是：提供各種電壓階層確保系統正常操作;提供系統中以不同電位操作部份得以電氣隔離;對交流電流提供高阻抗，但對直流則提供低的阻抗;在不同的電位下，維持或修飾波形與頻率響應。「阻抗」其中之一項重要概念，亦即電子學特性之一，其乃預設一種設備，即當電路組件阻抗系從一階層改變到另外的一個階層時，其間即使用到一種設備-變壓器。4歷史沿革近幾年，為適應國家在城鄉電網改造的需求，發展了一批新型、優質的配電變壓器，使絡的變壓器裝備更趨先進，供電更可靠，農村用電更趨低價。變壓器近年發展的配電變壓器的損耗值在不斷下降，尤其空載損耗值下降更多，這主要歸功于磁性材料導磁性能的改進，其次是導磁結構型式的多樣化。如較薄高導磁或非晶合金的應用，階梯接縫全斜結構鐵心、卷鐵心(平面型、立體型)、退火工藝的應用等。在降低損耗的同時也注意噪聲水平的降低。在干式配電變壓器方面又將局部放電試驗列為例行試驗，用戶又對局部放電量有要求，作為干式配電變壓器運行可靠性的一項考核指標，這比國際電工委員會規定的現行要求要嚴格。因此，在現有基礎上預測我國各類配電變壓器的發展趨勢，推動配電變壓器進一步發展應是一件比較重要工作。要求防火、防爆的場所，如商業中心、機場、地鐵、高層建筑、水電站等，常選用干式配電變壓器。目前，國內已有幾十個工廠能生產傳統的澆注型干式配電變壓器。既有無調壓，又有有載調壓。正常運行時為自冷冷卻方式，當裝有吹風裝置時提供急救條件(其他變壓器有故障時起動風機)作為超容量運行。在國內，最大三相單臺容量可達20000kVA(35kV級)，最高電壓等級可達110KV(單相10500kVA