電磁感應（Electromagnetic induction）現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢，若將此導體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應電流（感生電流）。

基本概念

1831年，一位叫邁克爾·法拉第的科學家發(fā)現(xiàn)了磁與電之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關系。只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生感應電流。這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為電磁感應，產(chǎn)生的電流叫作感應電流。

電磁感應現(xiàn)象的產(chǎn)生條件有兩點（缺一不可）：

1.閉合電路。

2.穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。讓磁通量發(fā)生變化的方法有兩種：a.如圖1所示，讓閉合電路中的導體在磁場中做切割磁感線的運動；b.另一種方法是讓磁場在導體內(nèi)運動。

磁通量

1.定義

設在勻強磁場中有一個與磁場方向垂直的平面，磁場的磁感應強度為B，平面的面積為S。(1)定義：在勻強磁場中，磁感應強度B與垂直磁場方向的面積S的乘積，叫作穿過這個面的磁通量，簡稱磁通。

2.定義式

Φ=BS

當平面與磁場方向不垂直時：

Φ=BS⊥=BScosθ（θ為平面的垂線與磁場方向的夾角）

(3)物理意義

垂直穿過某個面的磁感線條數(shù)表示穿過這個面的磁通量。

(4)單位

在國際單位制中，磁通量的單位是韋伯，簡稱韋，符號是Wb。

1Wb=1T·1m2=1V·s

（5）標量性

磁通量是標量，但是有正負之分，

電磁感應現(xiàn)象

(1)電磁感應現(xiàn)象：閉合電路中的一部分導體做切割磁感線運動，電路中產(chǎn)生感應電流。

(2)感應電流：在電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)生的電流。

(3)產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象的條件：

①兩種不同表述

a．閉合電路中的一部分導體與磁場發(fā)生相對運動

b．穿過閉合電路的磁場發(fā)生變化

②兩種表述的比較和統(tǒng)一

a．兩種情況產(chǎn)生感應電流的根本原因不同

閉合電路中的一部分導體與磁場發(fā)生相對運動時，是導體中的自由電子隨導體一起運動，受到的洛倫茲力的一個分力使自由電子發(fā)生定向移動形成電流，這種情況產(chǎn)生的電流有時稱為動生電流。

穿過閉合電路的磁場發(fā)生變化時，根據(jù)電磁場理論，變化的磁場周圍產(chǎn)生電場，電場使導體中的自由電子定向移動形成電流，這種情況產(chǎn)生的電流稱為感應電流或感生電流。

b．兩種表述的統(tǒng)一

兩種表述可統(tǒng)一為穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。

③產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象的條件

不論用什么方法，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有電流產(chǎn)生。

條件：a．閉合電路；b．一部分導體；c．做切割磁感線運動

能量的轉(zhuǎn)化

能的轉(zhuǎn)化守恒定律是自然界普遍規(guī)律，同樣也適用于電磁感應現(xiàn)象。

感應電動勢

(1)定義：在電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢，叫做感應電動勢。方向是由低電勢指向高電勢。

(2)產(chǎn)生感應電動勢的條件：導體在磁場中做切割磁感線運動。

(3)物理意義：感應電動勢是反映電磁感應現(xiàn)象本質(zhì)的物理量。

(4)方向規(guī)定：內(nèi)電路中的感應電流方向，為感應電動勢方向。

(5)反電動勢：在電動機轉(zhuǎn)動時，線圈中也會產(chǎn)生感應電動勢，這個感應電動勢總要削弱電源電動勢的作用，這個電動勢稱為反電動勢。

相關知識

電磁感應部分涉及三個方面的知識：

一是電磁感應現(xiàn)象的規(guī)律。電磁感應研究的是其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的特點和規(guī)律，其核心是法拉第電磁感應定律和楞次定律。

楞次定律表述為：感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。即要想獲得感應電流(電能)必須克服感應電流產(chǎn)生的安培力做功，需外界做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。法拉第電磁感應定律是反映外界做功能力的，磁通量的變化率越大，感應電動勢越大，外界做功的能力也越大。

二是電路及力學知識。主要討論電能在電路中傳輸、分配，并通過用電器轉(zhuǎn)化成其他形式能的特點規(guī)律。在實際應用中常常用到電路的三個規(guī)律(歐姆定律、電阻定律和焦耳定律)和力學中的牛頓定律、動量定理、動量守恒定律、動能定理和能量守恒定律等概念。

三是右手定則。右手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個平面內(nèi)。把右手放入磁場中，若磁力線垂直進入手心（當磁感線為直線時，相當于手心面向N極），大拇指指向?qū)Ь€運動方向，則四指所指方向為導線中感應電流的方向。

電磁學中，右手定則判斷的主要是與力無關的方向。為了方便記憶，并與左手定則區(qū)分，可以記憶成：左力右電（即左手定則判斷力的方向，右手定則判斷電流的方向）?；蛘咦罅τ腋小⒆笊τ彝?。

電磁感應定律

發(fā)現(xiàn)

邁克爾·法拉第是一般被認定為于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應的人，雖然弗朗切斯科·桑特代斯基（Francesco Zantedeschi）在1829年的工作可能對此有所預見。

1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應后，許多物理學家便試圖尋找它的逆效應，提出了磁能否產(chǎn)生電，磁能否對電作用的問題，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測量地磁強度時，偶然發(fā)現(xiàn)金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據(jù)這個現(xiàn)象做了銅盤實驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的銅盤會帶動上方自由懸掛的磁針旋轉(zhuǎn)，但磁針的旋轉(zhuǎn)與銅盤不同步，稍滯后。電磁阻尼和電磁驅(qū)動是最早發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象，但由于沒有直接表現(xiàn)為感應電流，當時未能予以說明。

1831年8月，M.法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)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(fā)現(xiàn)，合上開關，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應。緊接著他做了幾十個實驗，把產(chǎn)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(xiàn)象正式定名為電磁感應。進而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導體回路中產(chǎn)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(zhì)無關的感應電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應電流，感應電動勢依然存在。

1862年，英國物理學家麥克斯韋發(fā)表了論文“論物理力線”，引出位移電流的概念，指出變化的電場也能產(chǎn)生磁場。

1864年，麥克斯韋在論文“電磁場的動力學理論”中，運用場論觀點演繹了系統(tǒng)的電磁理論并預見了電磁波的存在。

1873年，麥克斯韋在《電磁學通論》一書中全面地總結(jié)了19世紀中葉之前庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等人的系列發(fā)現(xiàn)和實驗結(jié)果，通過科學的假設和合理的邏輯思維，第一次完整地建立了電場理論體系，將電場理論用簡潔、對稱、美觀的數(shù)學形式表示出來，后來經(jīng)赫茲等人整理成為經(jīng)典電動力學主要基礎的麥克斯韋方程組。

1888年，德國物理學家赫茲用實驗驗證了電磁波的存在。

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(guī)律的法拉第電磁感應定律。并按產(chǎn)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(chǎn)生的有旋電場。

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(shù)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(xiàn)代亥維賽版本。

法拉第電磁感應定律是基于法拉第于1831年所作的實驗。這個效應被約瑟夫·亨利大約同時發(fā)現(xiàn)，但法拉第的發(fā)表時間較早。

于1834年由俄國科學家海因里?！だ愦伟l(fā)現(xiàn)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。

描述

因磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象，閉合電路的一部份導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應。閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動，導體中就會產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象叫電磁感應現(xiàn)象。產(chǎn)生的電流稱為感應電流。這是初中物理課本為便于學生理解所定義的電磁感應現(xiàn)象，不能全面概括電磁感現(xiàn)象：閉合線圈面積不變，改變磁場強度，磁通量也會改變，也會發(fā)生電磁感應現(xiàn)象。所以準確的定義如下：因磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象。

若閉合電路為一個n匝的線圈，則瞬時電動勢又可表示為：ε=n*ΔΦ/Δt（Δt→0）。式中n為線圈匝數(shù)，ΔΦ為磁通量變化量，單位Wb（韋伯），Δt為發(fā)生變化所用時間，單位為s（秒）。ε為產(chǎn)生的感應電動勢，單位為V（伏特，簡稱伏）。電磁感應俗稱磁生電，多應用于發(fā)電機。

具備條件

1.電路是閉合且流通的。

2.穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。

3.電路的一部分在磁場中做切割磁感線運動（切割磁感線運動就是為了保證閉合電路的磁通量發(fā)生改變）(只能部分切割，全部切割無效)(如果缺少一個條件，就不會有感應電流產(chǎn)生).。

4.感應電流產(chǎn)生的微觀解釋：電路的一部分在做切割磁感線運動時，相當于電路的一部分內(nèi)的自由電子在磁場中作不沿磁感線方向的運動，故自由電子會受洛倫茲力的作用在導體內(nèi)定向移動，若電路的一部分處在閉合回路中就會形成感應電流，若不是閉合回路，兩端就會積聚電荷產(chǎn)生感應電動勢。

5.電磁感應現(xiàn)象中之所以強調(diào)閉合電路的“一部分導體”，是因為當整個閉合電路切割磁感線時，左右兩邊產(chǎn)生的感應電流方向分別為逆時針和順時針，對于整個電路來講電流抵消了。

6.電磁感應中的能量關系：電磁感應是一個能量轉(zhuǎn)換過程，例如可以將重力勢能，動能等轉(zhuǎn)化為電能，熱能等。

重要實驗

在一個空心紙筒上繞上一組和電流計聯(lián)接的導體線圈，當磁棒插進線圈的過程中，電流計的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而在磁棒從線圈內(nèi)抽出的過程中，電流計的指針則發(fā)生反方向的偏轉(zhuǎn)，磁棒插進或抽出線圈的速度越快，電流計偏轉(zhuǎn)的角度越大，但是當磁棒不動時，電流計的指針不會偏轉(zhuǎn)。

對于線圈來說，運動的磁棒意味著它周圍的磁場發(fā)生了變化，從而使線圈感生出電流.法拉第終于實現(xiàn)了他多年的夢想——用磁的運動產(chǎn)生電。奧斯特和法拉第的發(fā)現(xiàn)，深刻地揭示了一組極其美妙的物理對稱性：運動的電產(chǎn)生磁，運動的磁產(chǎn)生電。

不僅磁棒與線圈的相對運動可以使線圈出現(xiàn)感應電流，一個線圈中的電流發(fā)生了變化，也可以使另一個線圈出現(xiàn)感應電流。

將線圈通過開關k與電源連接起來，在開關k合上或斷開的過程中，線圈2就會出現(xiàn)感應電流。如果將與線圈1連接的直流電源改成交變電源，即給線圈1提供交變電流，也引起線圈出現(xiàn)感應電流。這同樣是因為，線圈1的電流變化導致線圈2周圍的磁場發(fā)生了變化。

科技應用

動圈式話筒

在劇場里，為了使觀眾能聽清演員的聲音，常常需要把聲音放大，放大聲音的裝置主要包括話筒，擴音器和揚聲器三部分。話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。圖2是動圈式話筒構造原理圖，它是利用電磁感應現(xiàn)象制成的，當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動，音圈在永久磁鐵的磁場里振動，其中就產(chǎn)生感應電流（電信號），感應電流的大小和方向都變化，變化的振幅和頻率由聲波決定，這個信號電流經(jīng)擴音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發(fā)出放大的聲音。

磁帶錄音機

磁帶錄音機主要由機內(nèi)話筒、磁帶、錄放磁頭、放大電路、揚聲器、傳動機構等部分組成，是錄音機的錄、放原理示意圖。錄音時，聲音使話筒中產(chǎn)生隨聲音而變化的感應電流—音頻電流，音頻電流經(jīng)放大電路放大后，進入錄音磁頭的線圈中，在磁頭的縫隙處產(chǎn)生隨音頻電流變化的磁場。磁帶緊貼著磁頭縫隙移動，磁帶上的磁粉層被磁化，在磁帶上就記錄下聲音的磁信號。

放音是錄音的逆過程，放音時，磁帶緊貼著放音磁頭的縫隙通過，磁帶上變化的磁場使放音磁頭線圈中產(chǎn)生感應電流，感應電流的變化跟記錄下的磁信號相同，所以線圈中產(chǎn)生的是音頻電流，這個電流經(jīng)放大電路放大后，送到揚聲器，揚聲器把音頻電流還原成聲音。

在錄音機里，錄、放兩種功能是合用一個磁頭完成的，錄音時磁頭與話筒相連；放音時磁頭與揚聲器相連。

汽車車速表

汽車駕駛室內(nèi)的車速表是指示汽車行駛速度的儀表。它是利用電磁感應原理，使表盤上指針的擺角與汽車的行駛速度成正比。車速表主要由驅(qū)動軸、磁鐵、速度盤，彈簧游絲、指針軸、指針組成。其中永久磁鐵與驅(qū)動軸相連。在表殼上裝有刻度為公里/小時的表盤。

永久磁鐵的磁感線方向如圖1所示。其中一部分磁感線將通過速度盤，磁感線在速度盤上的分布是不均勻的，越接近磁極的地方磁感線數(shù)目越多。當驅(qū)動軸帶動永久磁鐵轉(zhuǎn)動時，則通過速度盤上各部分的磁感線將依次變化，順著磁鐵轉(zhuǎn)動的前方，磁感線的數(shù)目逐漸增加，而后方則逐漸減少。由法拉第電磁感應原理知道，通過導體的磁感線數(shù)目發(fā)生變化時，在導體內(nèi)部會產(chǎn)生感應電流。又由楞次定律知道，感應電流也要產(chǎn)生磁場，其磁感線的方向是阻礙（非阻止）原來磁場的變化。用楞次定律判斷出，順著磁鐵轉(zhuǎn)動的前方，感應電流產(chǎn)生的磁感線與磁鐵產(chǎn)生的磁感線方向相反，因此它們之間互相排斥；反之后方感應電流產(chǎn)生的磁感線方向與磁鐵產(chǎn)生的磁感線方向相同，因此它們之間相互吸引。由于這種吸引作用，速度盤被磁鐵帶著轉(zhuǎn)動，同時軸及指針也隨之一起轉(zhuǎn)動。

為了使指針能根據(jù)不同車速停留在不同位置上，在指針軸上裝有彈簧游絲，游絲的另一端固定在鐵殼的架上。當速度盤轉(zhuǎn)過一定角度時，游絲被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生相反的力矩，當它與永久磁鐵帶動速度盤的力矩相等時，則速度盤停留在那個位置而處于平衡狀態(tài)。這時，指針軸上的指針便指示出相應的車速數(shù)值。

永久磁鐵轉(zhuǎn)動的速度和汽車行駛速度成正比。當汽車行駛速度增大時，在速度盤中感應的電流及相應的帶動速度盤轉(zhuǎn)動的力矩將按比例地增加，使指針轉(zhuǎn)過更大的角度，因此車速不同指針指出的車速值也相應不同。當汽車停止行駛時，磁鐵停轉(zhuǎn)，彈簧游絲使指針軸復位，從而使指針指在“0”處。

熔煉金屬

交流的磁場在金屬內(nèi)感應的渦流能產(chǎn)生熱效應，這種加熱方法與用燃料加熱相比有很多優(yōu)點，除課本所述外還有：加熱效率高，達到50～90%；加熱速度快；用不同頻率的交流可得到不同的加熱深度，這是因為渦流在金屬內(nèi)不是均勻分布的，越靠近金屬表面層電流越強，頻率越高這種現(xiàn)象越顯著，稱為“趨膚效應”。工業(yè)上把感應加熱依頻率分為四種：工頻（50赫）；中頻（0.5～8千赫）；超音頻（20～60千赫）；高頻（60～600千赫）。工頻交流直接由配電變壓器提供；中頻交變電流由三相電動機帶動中頻發(fā)電機或用可控硅逆變器產(chǎn)生；超音頻和高頻交流由大功率電子管振蕩器產(chǎn)生。

無心式感應熔爐的用途是熔煉鑄鐵、鋼、合金鋼和銅、鋁等有色金屬。所用交流的頻率要隨坩鍋能容納的金屬質(zhì)量多少來選擇，以取得最好的效果。例如：5千克的用20千赫，100千克的用2.5千赫，5噸的用1千赫以至50千赫。

冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，讓高頻交變電流通過線圈，被冶煉的金屬中就產(chǎn)生很強的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，適于冶煉特種合金和特種鋼。

感應加熱法也廣泛用于鋼件的熱處理，如淬火、回火、表面滲碳等，例如齒輪、軸等只需要將表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高頻交流的空心線圈中，表面層在幾秒鐘內(nèi)就可上升到淬火需要的高溫，顏色通紅，而其內(nèi)部溫度升高很少，然后用水或其他淬火劑迅速冷卻就可以了，其他的熱處理工藝，可根據(jù)需要的加熱深度選用中頻或工頻等。

電動機

發(fā)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動速率必需使得dΦB/dt等于驅(qū)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(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)變中的電流生成一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，于是自身的耦合磁通量也會轉(zhuǎn)變（dΦB/dt）。因此，第二個線圈內(nèi)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。

重要意義

電磁感應是指因為磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象。電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是電磁學領域中最偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，而且為電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化奠定了實驗基礎，為人類獲取巨大而廉價的電能開辟了道路，在實用上有重大意義。法拉第電磁感應定律的重要意義在于，一方面，依據(jù)電磁感應的原理，人們制造出了發(fā)電機，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠距離輸送成為可能；另一方面，標志著一場重大的工業(yè)和技術革命的到來。事實證明，電磁感應在電工、電子技術、電氣化、自動化方面的廣泛應用對推動社會生產(chǎn)力和科學技術的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。

相關研究

電磁線圈炮簡稱EMC（Electromagnetic Coilgun），是一種利用電磁感應原理發(fā)射速度極高的炮彈的武器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的火藥炮不同，電磁線圈炮不需要使用傳統(tǒng)火藥藥包，而是通過電磁力實現(xiàn)炮彈的推進，從而大大提高了發(fā)射速度和射程。由于電磁線圈炮的優(yōu)勢，世界各國都在進行相關技術研究。

2023年9月，中國研究團隊通過納米材料的合成和調(diào)控，成功地設計出了一種高效、低成本的新型太陽能電池。通過這種結(jié)構的設計，大大提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且在可控制備、可擴展性和穩(wěn)定性等方面都有了顯著的改進。此外，由于使用了新型材料，該電池的生產(chǎn)成本也大大降低，使得太陽能電池的普及化變得更加可行。