法拉第电磁感应定律

✍ dations ◷ 2024-12-22 13:50:09 #电动力学,物理定律

法拉第电磁感应定律(英语:Faraday's law of electromagnetic induction)是电磁学中的一条基本定律,跟变压器、电感元件及多种发电机的运作有密切关系。定律指出:

此定律于1831年由迈克尔·法拉第发现,约瑟·亨利则是在1830年的独立研究中比法拉第早发现这一定律,但其并未发表此发现。故这个定律被命名为法拉第定律。

本定律可用以下的公式表达:

其中:

电动势的方向(公式中的负号)由楞次定律提供。“通过电路的磁通量”的意义会由下面的例子阐述。

传统上有两种改变通过电路的磁通量的方式。至于感应电动势时,改变的是自身的电场,例如改变生成场的电流(就像变压器那样)。而至于动生电动势时,改变的是磁场中的整个或部分电路的运动,例如像在同极发电机中那样。

电磁感应现象不应与静电感应混淆。电磁感应将电动势与通过电路的磁通量联系起来,而静电感应则是使用另一带电荷的物体使物体产生电荷的方法。

本节是一段题外话,作用是区分本条目中的“法拉第定律”及麦克斯韦方程组中用同一个名字的∇×E方程。于本条目中∇×E方程会被称为麦克斯韦-法拉第方程。

麦克斯韦于1855年总结出法拉第定律的旋度版本,而亥维赛则于1884年将定律重写成旋度方程:

其中

方程的意义是,如果电场的空间依赖在页面上成逆时针方向(经右手定律,得旋度矢量会从页面指出),那么磁场会因时间而更少指出页面,更多地指向页面(跟旋度矢量异号)。方程跟磁场的变量有关系。故磁场不一定要指向页面,只需向该方向转动即可。

本方程(在本条目中被称为麦克斯韦-法拉第方程)最著名的地方在于它是麦克斯韦方程组中的四条方程之一。

在麦克斯韦-法拉第方程中,亥维赛用的是时间偏导数。不使用麦克斯韦用过的时间全导数,而使用时间偏导数,这样做使得麦克斯韦-法拉第方程不能说明动生电动势。。然而,麦克斯韦-法拉第方程很多时候会被直接称为“法拉第定律”。

在本条目中“法拉第定律”一词指的是通量方程,而“麦克斯韦-法拉第方程”指的则是亥维赛的旋度方程,也就是现在的麦克斯韦方程组中的那一条。

法拉第电磁感应定律用到通过一表面Σ的磁通量ΦB,其积分形式定义如下:

其中dA为移动面Σ()的面积元,B为磁场,B·dA为矢量点积。见图一。更多细节见面积分及磁通量条目。设该表面有一个开口,边界为闭合曲线∂Σ()。见图二。

当通量改变时,把一电荷在闭合曲线中∂Σ()移一圈(每单位电荷)所做的功 E {\displaystyle ^{\mathcal {E}}} )求电动势时,路径须满足两个基本条件:(一)路径闭合;(二)路径必需能描述到电路各部分的相对运动(这就是∂Σ()中变量为时间的原因)。路径并不一定要跟随电流的流动路线,但用通量定律求出的电动势,理所当然地会是通过所选路径的电动势。假若路径并不跟随电流的话,那么那电动势可能不是驱动着电流的那一电动势。

考虑图三的长方形线圈,它在平面上向方向以速率移动。因此,线圈中心C满足。线圈在方向的长度为ℓ,方向的宽度为。一不随时间改变,而随方向改变的磁场指向方向。左边的磁场为(),右边的磁场为()。电动势可直接求得,或由上述的法拉第电磁感应定律求得。

在线圈左边的一电荷,所受的洛伦兹力为v×k = −j(j、k分别为y方向及z方向的单位矢量,见矢量积),因此左边整段电线的电动势(单位电荷所做的功)为。可用相同的论述,求出右边电线的电动势为。两股电动势互相抵抗,将正电荷推向线圈底部。由于这时磁场的强度会向x方向增强,所以右边的力最强,电流会顺时针流动:使用右手定则,电流所产生的磁场会抵抗外加的磁场。驱动电流的电动势必须向逆时针方向增加(抵抗电流)。把电动势向逆时针方向加起来得:

线圈上任何位置通过线圈的磁通量为

其正负取决于表面的垂直线是否跟B同一方向,或相反方同。如果表面垂直线跟感应电流的B同一方向,式子为负。此时通量的时间导数(使用微分的链式法则或莱布尼茨定则的通用形式求出)为:

(其中 = dC/d为线圈于方向的运动速率),所以

跟之前一样。

这两种方法一般来说都一样,但视乎例子而定,其中一种有时可能会比较实用。

图四为由上下两块带导电边沿的碟片所组成的转轴,上面的电线环路垂直地连接着两块碟片。整组装置在磁场中旋转,该磁场向外呈放射状指出,但其大小不随方向变化。一向外的回路从边沿上把电流收集起来。在收集回路的位置上,向外的磁场与回路位于同一个平面上,因此收电回路并不对电路的磁通量造成影响。电动势可直接求出,或使用上文的法拉第定律求出。

这个案中,在移动环路中那两根垂直的电线里,洛伦兹力向下驱动着电流,因此电流从上碟片流向下碟片。在碟片的导电边沿内,洛伦兹力与边沿垂直,所以边沿上并没有电动势,环路中的水平部分也没有。电流通过外加的回路从下边沿传到上边沿,而该回路位于磁场的平面上。因此,回路中的洛伦兹力与回路平行,在这回路中并没有生成电动势。穿过电流通道,到达电流反方向流动的地方,功只在移动环路垂直电线中抵抗洛伦兹力,其中

因此电动势为

其中ℓ为环路中的垂直长度,与角转动率相关的速度可由ω求出,而 = 碟片半径。注意,在任何跟环路转动并连接上下边沿的路径中,所做的功都一样。

一个直觉上很吸引但错误的通量定则使用法是,将通过电流的通量当成只是ΦB = ℓ,其中为移动环路的宽度。这数目与时间没有关系,所以这方法会不正确地预测出无生成电动势。这套论述的缺陷在于它并没有考虑到整个电路,而整个电路是闭合的环路。

使用通量定则时,我们必须顾及整个电路,其中包括通过上下碟片边沿的路径。我们可以选择一通过两道边沿及移动环路的任意闭合路径,而通量定则会找出该路径的电动势。任何有一部分连接移动环路的路径,都会表达到电路移动部分的相对运动。

作为一个路径例子,选择在上碟片按照转动方向,并下碟片按照转动反方向穿过电路(由图四的箭号表示)。在这情况下,对与回路成角θ的移动环路而言,圆柱体的一部分面积 = ℓθ为电路的一部分。这面积与磁场垂直,所以造成了这个大小的通量:

其中式子为,这是因为右手定则指出,电流环路所产生的磁场,与外加的磁场方向相反的缘故。由于这是通量中唯一一个跟随时间转变的部分,所以通量定则预测的电动势为

与使用洛伦兹力法的计算答案一致。

现在尝试不同的路径。跟随一条选择余下部分通过边沿的路径。那么耦合磁通量会随θ增加而减少,但右手定则会指出把电流环路加到外加磁场上去,因此这条路径跟第一条路径的电动势相同。任何回路的组合都会对电动势产生相同的结果,因此跟随哪一条路径实际上并不重要。

以上使用闭合路径求电动势的方法,看起来是取决于路径几何的细节。相反地,使用洛伦兹力则没有这样的限制。所以有需要加深对通量定则的理解,有关路径等同及路径选取时的会漏掉的细节。

图五是图四的理想化版本,当中圆柱体被展开成了平面。同样的路径分析依然有效,但是还有一个可以简化的地方。电路中与时间无关的方面,并不能够影响通量随时间的变化率。例如,环路以均速滑动时,电流通过环路流动的细节,并不取决于时间。与其考虑求电动势时环路选取的细节,不如考虑环路移动时所扫过的磁场面积。这相当于找出电路通量的切断率。这个说法提供了一个方法,可直接求出通量变化率,而不需要考虑电路上各种路径选取,随时间而变化的细节。跟使用洛伦兹力一样,很明显地,任何两条连接移动环路的路径,都会产生相同的通量变化率,不同之处只在于它们如何与环路相交。

图五中,单位时间内扫过的面积为 = ℓ,跟选取的环路细节无关,所以可经法拉第电磁感应定律求出电动势:

电路势的路径的不依赖性表明,如果滑动环路被实心导电板所取代,又或是更复杂的某种变形表面,分析都是一样的:找出电路移动部分扫过面积的通量。相近地,如果图四的移动环路被一360°的实心导电圆柱体所取代,扫过面积的计算就跟只有一个环路时是完全一样的。故此,对圆柱体及实心导电板的个案而言,法拉第定律所预测的电动势完全一样,更甚者,以有孔板为壁的圆柱体的个案也一样。但是注意,这个电动势所导致的流动电流是不一样的,因为电阻决定电流。

变化中的磁场会生成电场;这个现象由麦克斯韦-法拉第方程描述:

其中:

这条方程是现代麦克斯韦方程组内的其中一条,很多时候被称为法拉第定律。然而,由于它只含有一个时间偏导数,它的应用只限于在随时间变化的磁场中静止电荷的情况。它并不能说明带电粒子在磁场中移动的电磁感应状况。

它可以用开尔文-斯托克斯定理写成积分形式:

其中把导数移至积分前这个动作,需要一与时无关的曲面Σ(在这里被视为偏导数解释的一部分),见图六:

dℓ和dA都具有正负模糊性;要得到正确的正负号,需要使用右手定则,解释详见开尔文-斯托克斯定理条目。对一平面Σ而言,曲线∂Σ的正路径元dℓ,其定义由右手定则所规定,就是当右手姆指跟表面Σ的垂直线n同一方向时,其他手指所指的那一个方向。

围绕着∂Σ的积分叫曲线积分或路径积分。麦克斯韦-法拉第方程右边的曲面积分,是通过Σ的磁通量ΦB的明确表达式。注意E的非零路径积分,跟电荷产生电场的表现不一样。由电荷生成的电场能以标量场的梯度表达,为泊松方程的解,并且路径积分为零。见梯度定理。

积分方程对通过空间的任何路径∂Σ成立,也对任何以该路径为边界的的表面Σ成立。注意,但是已知在这方程里,∂Σ及Σ都不随时间而改变。这个积分形式不能用于运动电动势,因为Σ跟时间无关。注意这方程内并没有电动势 E {\displaystyle ^{\mathcal {E}}} )为围着运动表面Σ()的闭合路径,而v为运动速率。见图二。注意上面用的是时间常导数,而不是时间偏导数,意指Σ()的时间差异必须被微分所包括。被积函数中,曲线ℓ的元以速率v移动。

图七为磁力是如何促成电动势作出了诠释,而电动势就在上面方程的左边。曲线∂Σ部分ℓ,在时间以速率v移动时扫过的面积为(见矢量积的几何意义):

所以在时间间通过∂Σ为边的表面中这一部分的磁通量变量ΔΦB为:

如果我们把这些通过所有部分ℓ的ΔΦB的作用加在一起,就可以得到法拉第定律对磁力的促成作用。也就是,这个项跟运动电动势有关系。

再次讨论图三的例子,但这次以移动观测者的参考系,带出电场与磁场间以及运动与感应电动势的密切关系。假设一环路观测者与环路一起移动。观测者以洛伦兹力及法拉第电磁感应定律计算环路的电动势。由于这观测者与环路一起移动,观测者看不到环路的运动,以及零v×B。然而,由于磁场随位置变化,所以观测者看到时间变强的磁场,也就是:

其中为指向方向的单位矢量。

麦克斯韦-法拉第方程指出移动观测者在方向所见的电场y可由下式表示(见旋度):

下式使用了链式法则:

求解y,准确到一个对环路积分没有作用的常数,得:

使用洛伦兹力定律,得一个电场分量,观测者于时间t得环路的电动势为:

这个结果跟静止观测者的个案一致,他看到的是中点C移到C + 。然而,移动观测者的结果中,洛伦兹力看起来只有电分量,而静止观测者的则只有磁分量。

使用法拉第电磁感应定律,与C一起移动的观测者看到磁通量的变化,但环路看起来并没有移动:环路的中心C被固定了,这是因为观测者与环路一起移动着。通量则是:

其中右式为负,这是因为表面的垂直线与外加磁场各自指向相反的方向。现在从法拉第电磁感应定律得出的电动势是:

答案是一样的。时间导数走进了积分里面,这是因为积分的上下限并不取决于时间。又一次,链式定律被用于把时间导数转化成导数。

静止观测者认为该电动势是运动电动势,而移动观测者则认为是感应电动势。

有些物理学家注意到法拉第定律是一条描述两种现象的方程:由磁力在移动中的电线中产生的动生电动势,及由磁场转变而成的电力所产生的感应电动势。就像理查德·费曼指出的那样:

格里夫斯的书中也有类似陈述。

法拉第定律最初是一条基于观察的实验定律。后来被正式化,其偏导数的限制版本,跟其他的电磁学定律一块被列麦克斯韦方程组的现代亥维赛版本。

法拉第电磁感应定律是基于法拉第于1831年所作的实验。这个效应被约瑟·亨利于大约同时发现,但法拉第的发表时间较早。

见麦克斯韦讨论电动势的原著。

于1834年由波罗的海德国科学家海因里希·楞次发现的楞次定律,提供了感应电动势的方向,及生成感应电动势的电流方向。

由法拉第电磁感应定律因电路及磁场的相对运动所造成的电动势,是发电机背后的根本现象。当永久性磁铁相对于一导电体运动时(反之亦然),就会产生电动势。如果电线这时连着电负载的话,电流就会流动,并因此产生电能,把机械运动的能量转变成电能。例如,基于图四的鼓轮发电机。另一种实现这种构想的发电机就是法拉第碟片,简化版本见图八。注意使用图五的分析,或直接用洛伦兹力定律,都能得出使用实心导电碟片运作不变的这一结果。

在法拉第碟片这一例子中,碟片在与碟片垂直的均匀磁场中运动,导致一电流因洛伦兹力流到向外的轴臂里。明白机械运动是如何成为驱动电流的必需品,是很有趣的一件事。当生成的电流通过导电的边沿时,这电流会经由安培环路定理生成出一磁场(图八中标示为“Induced B”)。因此边沿成了抵抗转动的电磁铁(楞次定律一例)。在图的右边,经转动中轴臂返回的电流,通过右边沿到达底部的电刷。此一返回电流所感应的磁场会抵抗外加的磁场,它有减少通过电路那边通量的倾向,以此增加旋转带来的通量。因此在图的左边,经转动中轴臂返回的电流,通过左边沿到达底部的电刷。感应磁场会增加电路这边的通量,减少旋转带来的通量。所以,电路两边都生成出抵抗转动的电动势。尽管有反作用力,需要保持碟片转动的能量,正等于所产生的电能(加上由于摩擦、焦耳热及其他消耗所浪费的能量)。所有把机械能转化成电能的发电机都会有这种特性。

虽然法拉第定律经常描述发电机的运作原理,但是运作的机理可以随个案而变。当磁铁绕着静止的导电体旋转时,变化中的磁场生成电场,就像麦克斯韦-法拉第方程描述的那样,而电场就会通过电线推着电荷行进。这个案叫感应电动势。另一方面,当磁铁静止,而导电体运动时,运动中的电荷的受到一股磁力(像洛伦兹力定律所描述的那样),而这磁力会通过电线推着电荷行进。这个案叫动生电动势。(更多有关感应电动势、动生电动势、法拉第定律及洛伦兹力的细节,可见上例或格里夫斯一书。)

发电机可以“反过来”运作,成为电动机。例如,用法拉第碟片这例子,设一直流电流由电压驱动,通过导电轴臂。然后由洛伦兹力定律可知,行进中的电荷受到磁场的力,而这股力会按佛来明左手定则订下的方向来转动碟片。在没有不可逆效应(如摩擦或焦耳热)的情况下,碟片的转动速率必需使得等于驱动电流的电压。

法拉第定律所预测的电动势,同时也是变压器的运作原理。当线圈中的电流转变时,转变中的电流生成一转变中的磁场。在磁场作用范围中的第二条电线,会感受到磁场的转变,于是自身的耦合磁通量也会转变(ΦB/)。因此,第二个线圈内会有电动势,这电动势被称为感应电动势或变压器电动势。如果线圈的两端是连接着一个电负载的话,电流就会流动。

法拉第定律可被用于量度导电液体或浆状物的流动。这样一个仪器被称为电磁流量计。在磁场B中因导电液以速率为v的速度移动,所生成的感应电压ε可由以下公式求出:

其中ℓ为电磁流量计中电极间的距离。

有关法拉第定律一词各种用法的讨论: Tankersley and Mosca: (英文)

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