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现在越来越多的家庭用电磁炉来烧水、做饭，如图6-5-1所示。用电磁炉加热与用电阻丝加热不同，它是利用电磁感应的原理来工作的。生活和生产中利用电磁感应的实例很多，例如日光灯的启动，录音机对声音的录、放，飞机场上检查乘客身上金属物品的安检门等，都利用了电磁感应的原理。

图6-5-1　用电磁炉做饭

什么是电磁感应现象？电磁感应现象遵循什么样的规律？本节我们就来学习这些非常重要、非常有用的知识。

1.电磁感应现象

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流产生磁场的现象以后，科学家就进一步研究能否利用磁场来产生电流。1831年，英国物理学家法拉第通过实验发现：当磁铁和闭合线圈做相对运动时，闭合线圈中就会产生电流。

下面我们通过3种不同情形的实验，系统地探讨电磁感应现象。

演示实验

（1）如图6-5-2所示，将导体AB放置在磁场中，并与电流表相连，组成闭合电路。观察下列情况下电路中是否有电流产生。

①让导体AB与磁场保持相对静止；

②让导体AB平行于磁感线运动（与导轨不分离）；

③让导体AB做切割磁感线运动（与导轨不分离）。

（2）如图6-5-3所示，将螺线管与电流表相连，组成闭合电路。将条形磁铁插入螺线管，停止一会儿，然后再从螺线管抽出，同时观察3个阶段中电路中是否有电流产生。

图6-5-2　演示电磁感应现象（一）

图6-5-3　演示电磁感应现象（二）

分析上述实验过程，可以看出：实验（1）中，当导体AB在磁场中静止或平行于磁感线运动时，无论磁场多强，闭合电路中都没有电流产生；当导体AB做切割磁感线运动时，闭合电路中产生了电流。实验（2）中，当条形磁铁插入或拔出螺线管时，组成螺线管的导线切割磁感线，闭合回路中有电流产生；当条形磁铁静止在螺线管中时，无论磁铁的磁场多强，闭合回路中都无电流产生。

如果导体和磁体不发生相对运动，有没有办法产生感应电流呢？

演示实验

如图6-5-4所示，将螺线管B与电流表相连接，并将螺线管A、开关和滑动变阻器串联，然后接到电源上，且将A置于B的内部。移动滑动变阻器滑片，改变螺线管A中的电流，从而改变螺线管A产生的磁场强弱，然后观察下列瞬间或时段电流表指针的变化：①闭合开关的瞬间；②闭合开关后；③断开开关的瞬间；④断开开关后。

图6-5-4　演示电磁感应现象（三）

通过实验可以看出，当螺线管A中的电流变化时，螺线管B中产生了电流；而当螺线管A中的电流不变时，螺线管B中就没有电流产生。

电磁感应现象　在第1个实验中，当导线做切割磁感线运动时，闭合电路包围的面积发生了变化，穿过闭合电路的磁通量发生了变化。在第2个实验中，当磁铁插入线圈时，线圈中的磁场由弱变强；磁铁从线圈中离开时，线圈中的磁场由强变弱，两种情况穿过线圈的磁通量都发生了变化。在第3个实验中，由于迅速移动滑动变阻器的滑片（或闭合、断开开关），使线圈A中的电流迅速变化，产生的磁场强弱也迅速变化；又由于A、B两个线圈套在一起，穿过线圈B的磁通量也发生了变化。

实验表明：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生，这种现象叫作电磁感应现象。电磁感应现象中产生的电流叫作感应电流。

想想议议

实验中同学们应注意到，不同情况下产生的感应电流的方向是不同的。那么，感应电流的方向由哪些因素决定？遵循什么规律？

右手定则　闭合电路的一部分导体切割磁感线时，导体中产生的感应电流的方向可以用右手定则来判定：伸开右手，使大拇指与其他四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所的方向就是感应电流的方向，如图6-5-5所示。

图6-5-5　右手定则

图6-5-6　楞次定律

楞次定律　当穿过闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中感应电流的方向可用图6-5-6所示实验来判定。当磁棒移近或插入线圈时，线圈中感应电流产生的磁场方向（图中虚线所示）与磁棒的磁场（图中实线所示）方向相反，这时感应电流的磁场把正在增大的磁通量抵消了一部分，也就是阻碍磁通量的增大；当磁棒移开或从线圈中抽出时，穿过线圈的磁通量减小，感应电流的磁场方向与磁铁的磁场方向相同，这时感应电流的磁场对正在减小的磁通量加以补偿，也就是阻碍磁通量的减小。

1834年，物理学家楞次在分析了许多实验事实后，用一句话巧妙地表达了以下结论：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这就是楞次定律。

利用楞次定律也可以判断闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时感应电流的方向，与右手定则的结果一致。

2.法拉第电磁感应定律

我们知道，闭合电路里有电流，电路中必定有电源，电流是由电源的电动势产生的。在电磁感应现象中，当闭合电路中有感应电流时，电路中必定也有电动势。

感应电动势　在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势，叫作感应电动势。无论外电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就存在感应电动势。产生感应电动势的那部分电路就相当于电源。

那么，影响感应电动势的因素是什么呢？让我们通过实验来研究。

演示实验

（1）用图6-5-2的装置。当导体切割磁感线速度大小不同时，比较感应电流的大小。

（2）用图6-5-3的装置。当磁铁与螺线管之间相对运动速度大小不同时，比较感应电流的大小。

（3）用图6-5-4的装置。当滑动变阻器滑片滑动较快和较慢时，比较感应电流的大小。

由实验可知，在用导线切割磁感线产生感应电流的实验中，导线运动得越快、磁体的磁场越强，产生的感应电流就越大；在向线圈中插入条形磁铁的实验中，磁铁的磁场越强，插入得越快，产生的感应电流就越大。这些现象向我们提示，感应电动势可能与磁通量变化的快慢有关，而磁通量变化的快慢可以用磁通量的变化率表示。

法拉第通过精确的实验，总结出如下的规律：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。

如果时刻t1时穿过闭合电路的磁通量Φ1，时刻t2穿过闭合电路的磁通量为Φ2，则在此段时间Δt=t2-t1内，磁通量的变化量ΔΦ=Φ2-Φ1，磁通量的变化率就是，如果用E表示闭合电路中的感应电动势，那么电磁感应定律就可以表示为

(www.daowen.com)

此公式中各物理量的国际单位制单位分别为：电动势的单位是伏（V）、磁通量的单位是韦伯（Wb）、时间间隔的单位是秒（s）。

想想议议

在实际工作中，为了获得较大的感应电动势，常常采用多匝线圈。一个闭合电路可以看作是只有一匝的线圈，如果线圈的匝数为n，而且穿过每匝线圈的磁通量总是相同的。当线圈中磁通量发生变化时，整个线圈中产生的感应电动势应该如何计算？

实际应用中闭合电路常常是一个匝数为n的线圈，由于这样的线圈可以看成是由n个单匝线圈串联而成的，整个线圈中感应电动势为

我们在了解了法拉第电磁感应定律后，可以计算单根导体做切割磁感线运动时产生的感应电动势的大小，这也是最主要、最简单的应用。

【例题】一匀强磁场的磁感应强度为8T，一矩形线圈的两边各为5cm和6cm长，放在此磁场中，且线圈平面和磁场方向平行。

（1）此时穿过线圈的磁通量为多大？

（2）如线圈绕与磁场垂直的任一边转动90°角，此时穿过线圈的磁通量为多大？

（3）如匀速转动一次所需时间为0.5s，则在此过程中产生的感应电动势为多大？

解：已知B＝8T，a＝0.05m，b＝0.06m，t=0.5s。

（1）当线圈平面和磁场方向平行时Φ=BS=8×0Wb=0Wb

（2）当线圈绕与磁场垂直的任一边转动90°角时，与整个磁场垂直，此时

Φ=BS=8×0.05×0.06Wb=2.4×10-2Wb

（3）

答：（1）穿过线圈的磁通量为0Wb；（2）穿过线圈的磁通量为2.4×10-2Wb；（3）感应电动势为4.8×10-2V。

STS

电磁污染

电磁污染是指天然和人为的各种电磁波的干扰及有害的电磁辐射。电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或泄露的现象，叫电磁辐射。电磁辐射看不见、摸不着，产生电磁辐射的设备大都是日常生活中的常用电器，如手机、电热毯、电磁炉、医疗器械、电子仪器等，它们工作时产生的各种不同波长频率的电磁波充斥空间，当电磁辐射强度超过人体所能承受的或仪器设备所能容许的限度时，即产生了电磁污染。

动圈式话筒　动圈式麦克风是把声音转变为电信号的装置，它是利用电磁感应现象制成的，如图6-5-7所示。当声波使膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫作音圈）随着一起振动，音圈在磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。动圈式话筒具有构造相对简单、经济耐用、能承受极高的声压且几乎不受极端温度或湿度的影响的优点。

图6-5-7　动圈式话筒

磁带录音和录像技术　磁带录音录像机主要由机内话筒、磁带、录放磁头、放大电路、扬声器、传动机构等部分组成，如图6-5-8所示。

磁带录音录像机的录制原理：以录音为例，如图6-5-8（a）所示，声音使话筒中产生随声音而变化的感应电流——音频电流，经过放大电路放大后，进入录音磁头的线圈中，由于通过线圈的是音频电流，在磁头的缝隙处产生随音频电流变化的磁场，磁带紧贴着磁头缝隙移动，磁带上的磁粉层被磁化，磁带上就记录下了声音的磁信号。

磁带录音录像机的放音原理：放音时是录音的逆过程。如图6-5-8（b）所示，放音时，磁带紧贴着放音磁头的缝隙通过，磁带上变化的磁场使磁头线圈中产生感应电流，感应电流的变化与磁信号的变化相关，即线圈中产生的是音频电流，这个电流经放大后送到扬声器，扬声器就把音频电流还原成声音。

在录音机里，录放两种功能是合用一个磁头完成的，录音时磁头与话筒相连，放音时磁头与扬声器相连。

图6-5-8　录音录像机工作原理

习　题

1.（双选）关于线圈中的感应电动势，下列说法正确的是（　）

A.穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大

B.穿过线圈的磁通量变化越大，感应电动势越大

C.穿过线圈的磁通量变化越快，感应电动势越大

D.穿过线圈的磁通量变化率越大，感应电动势越大

2.当条形磁铁从螺线管右端插入，由左端抽出时（图6-5-9）。在插入和抽出的过程中，螺线管里感应电流的方向是否相同？试判断并分析之。

图6-5-9　第2题图

图6-5-10　第3题图

3.如图6-5-10所示，让闭合线圈abcd由位置Ⅰ通过一个匀强磁场运动到位置Ⅱ，线圈运动过程中什么时候有感应电流产生？感应电流的方向如何？

4.如图6-5-11所示，导体杆ab在金属框上从左向右移动。

图6-5-11　第4题图

①分别考虑穿过电路cdab和baef的磁通量变化，并用楞次定律判断ab杆中电流方向；

②用右手定则判断ab杆中的电流方向。

两次判断的结果一样吗？

5.有一个面积为0.1m2的100匝线圈，在0.4s内通过它的磁通量从0.05Wb增加到0.09Wb，求线圈中的感应电动势。如果线圈的电阻是10Ω，把一个电阻为990Ω的电热器连接在它的两端，通过电热器的电流是多大？