第十一章A 电磁感应现象

导学

在本章中，你将学习：

• 磁能生电吗？
• 在什么条件下可以产生感应电流呢？
• 如何判断感应电流的方向？
• 什么是电磁波？你知道日常生活中的电磁波吗？

1831年，英国物理学家、化学家法拉第（M．Farady，1791-1867）经过十年的努力，终于发现了电磁感应现象。应用电磁感应的原理，法拉第制作了世界上第一台发电机（图11-1）。只要摇动发电机手柄使圆盘旋转，就可以获得连续的电流了。

从1832年起，接连出现了手摇交流发电机、直流发电机、工业用自激式发电机……开始了电力革命的时代。图11-2所示是我国三峡工程首台7×10⁵kW的发电机定子。

然而科学家们并不满足。英国物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell，1831-1879）在法拉第工作的基础上，进一步研究了电场与磁场之间的关系，建立了电磁场理论，并得到了广泛的应用。图11-3所示的超轻型“飞翼”无人机，利用电磁波的发射和接收原理，在军事上可作为无人侦察机、水面舰艇和地面指挥中心之间进行通信的中继站。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，揭示了电与磁的内在联系。这一发现使许多物理学家都在逆向思考：既然电能生磁，那么磁也能生电！

瑞士物理学家科拉顿曾设计了一个利用磁铁在闭合线圈中获取电流的实验（图11-4）。他将一块磁铁放在螺线管中，试图在闭合线圈中产生电流，又在另一个小线圈中放一个小磁针，作为“灵敏电流计”。为了排除磁铁放入对“灵敏电流计”小磁针偏转的影响，他把“灵敏电流计”放到隔壁房间中去，用长导线把“灵敏电流计”和螺线管连接起来。实验开始了，科拉顿把磁铁插到螺线管中去以后，就跑到隔壁房间中去看有没有电流产生，但他十分痛心地看到“灵敏电流计”的小磁针静止在原位。科拉顿在两个房间之间来回跑，始终没有看到小磁针动一下。实验失败了！

在同一时期，英国物理学家、化学家法拉第也在潜心研究“磁生电”的课题。为了有明显的实验效果，他设计了类似于图11-5所示的实验：在铁环上绕了约62 m长的铜线做成一个线圈，将它与100对极板组成的电池组相连接，在这个线圈外再放一个未接电池的线圈。他试图由第一个通电线圈产生的强磁场来使另一个线圈中产生电流。那么，实验结果究竟如何呢？

 “磁能生电”吗？

现在，我们自己动手来做一个“磁生电”的实验。

自主活动

把条形磁铁放在线圈中，将灵敏电流计和线圈按图11-6连接成闭合回路，观察灵敏电流计指针是否偏转？

试试看，用什么办法可以使灵敏电流计的指针发生偏转？

实验结果表明，当磁铁在线圈中运动（插入或拔出）时，闭合回路中会产生电流，这种电流叫做感应电流。

1．电磁感应（electromagnetic induction）现象

闭合回路中产生感应电流的现象，叫做电磁感应现象。

产生感应电流的条件是什么？

法拉第经过10年艰苦的实验探索，终于在接通电源的一刹那，发现了感应电流。他恍然大悟：以前做实验时都是接通电源以后才去看灵敏电流计的，这时通电线圈中的电流已处于稳定状态，第二个线圈所在的磁场不再有变化，也就不会有电流产生了。

探索研究

通过法拉第实验的启发，现在让我们利用现有实验器材（图11-7），来探究产生感应电流的条件。

【问题】

产生感应电流的条件是什么？

【猜想】

在图11-6实验中，磁铁在线圈中插入、拔出时，什么物理量发生了变化，从而导致感应电流产生？________________________________________________________。

【方案】

除了上述方法外，利用现有实验器材，根据你的猜想设计出几种实验方案，包括原理、电路和步骤。

【记录】

记录你在实验过程中观察到的现象，并与用磁铁插入、拔出时产生的现象作比较：_____________________________________________________________________________。

【结论】

由上述实验可知，对闭合回路来说，不管是磁铁插入、拔出，或电流产生的磁场发生变化，都会造成穿过闭合回路的磁通量改变。所以，当穿过闭合回路中的磁通量发生变化时，闭合回路中就会产生感应电流。

2．产生感应电流的条件

学生实验

探究感应电流产生的条件

【实验目的】

探究感应电流产生的条件。

【实验器材】

条形磁铁、灵敏电流计、线圈A和B、滑动变阻器、电源、开关、导线等。

【实验结论】

________________________________________________________________。

当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路中就有感应电流产生。

示例

法拉第在1831年9月24日做了如下的实验，实验装置类似于图11-8（a）所示，两根条形磁铁摆成V形，软铁棒上绕着一组线圈，并串联了一只灵敏电流计。当其中一根磁铁上端与软铁棒接触或断开的瞬间，他看到了灵敏电流计的指针发生了偏转。法拉第又一次证实了他发现的电磁感应现象。如何解释这个实验现象？

【解答】图11-8（b）是实验示意图，在软铁棒中有磁感线穿过。当磁铁上端与它接触或断开的瞬间，穿过绕在软铁棒上的闭合线圈中的磁通量突然发生变化，产生感应电流，所以，灵敏电流计的指针发生了偏转。

实验

微弱磁通量变化时的感应电流

地磁场较弱（在地面附近，磁感应强度大小的平均值为5×10^-5T）。应用DIS可观察到闭合线圈中由于穿过线圈平面的地磁场的磁通量发生变化而产生的感应电流。

实验装置如图11-9（a）所示，将微电流传感器接入数据采集器，并与环形线圈的两端引出线相连。开启电源，运行DIS应用软件。点击实验条目中的“微弱磁通量变化时的感应电流”，软件界面如图11-9（b）所示。

实验时，线圈所在平面与地面始终垂直。转动线圈，界面上的电流表指针会指示产生感应电流的情况。当线圈平面与磁子午线所在平面平行时，转动线圈，电流表的示数变化比较明显。

历史回眸

1821年，法拉第在日记中写下了他的预见：“磁能转化成电！”并开始了“由磁产生电”的实验研究。可是实验探索的道路从来都是曲折的。开始，法拉第认为：用强磁铁靠近导线，导线中就会产生电流。实验证实这个设想是错误的。但法拉第并没有就此止步，而是坚持探索。在他口袋里装满了铁块、磁铁、导线和线圈，不断地进行着新的实验。1831年8月29日这天，他终于发现了电磁感应现象。一个月后，法拉第把进一步研究的结果进行了总结，并于11月24日在英国皇家学会上宣读了论文。

有关电磁感应问题，还有相当多的物理学家同时在从事研究。美国物理学家亨利和俄国物理学家楞次，对电磁感应现象也作了深入的研究，取得了卓著的成绩。

电磁感应现象的发现，丰富了人类对于电磁现象本质的认识，揭示了电与磁之间相互联系和转化的客观规律；同时，在实践上为电工技术、电子技术及电磁测量技术等打开了广泛应用之门。法拉第发现电磁感应，使人类第一次看到除利用电池以外获得电能的可能性。事实上，法拉第的“磁生电”装置就是发电机的始祖；他的电磁感应理论（1834年被命名为法拉第电磁感应定律）是发电机发电的基础理论。因而，“磁生电”被誉为19世纪最伟大的发现之一。

法拉第经过10年艰苦努力，最终因偶然机会发现了电磁感应现象。正如恩格斯曾指出说：“在历史的发展中，偶然性起着自己的作用，而它在辩证的思维中，就像在胚胎的发育中一样包括在必然中。”

大家谈

1831年10同28日，法拉第的圆盘发电机诞生了。英国财政大臣格拉斯问他：“你的发明有什么用处？”法拉第回答说：“我现在还不知道，但是有一天你将从它身上去抽税。”谈谈你对这段对话的感想。

发布时间：2016/6/18 下午10:09:32  阅读次数：3485