没有所谓位移，而是旋转
位移是牛顿粒子，场的运动是旋转
对称场
http://www.wljx.sdu.edu.cn/lessons/elec/03dxja/ja05.htm
§ 5 电磁感应和暂态过程
(Electromagnetic induction and transient process)
法拉第(Faraday,Michael, 1791-1867)
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一
它揭示了电与磁相互联系和转化的重要方面。它的发现在科学上和技术上都具有划时代的意义。它不仅丰富了人类对于电磁现象本质的认识，推动了电磁学理论的发展；而且在实践上开拓了广泛应用的前途。
本章在电磁感应现象的基础上，逐步深入地讨论电磁感应的规律，以及有关的问题
§ 5-1电磁感应定律
1820年，奥斯特的发现第一次揭示了电流能够产生磁，从而开辟了一个全新的研究领域。当时不少物理学家想到：既然电能够产生磁，磁是否也能产生电？然而他们或者是因为固守着稳恒的磁能够产生电的成见，或者是因为工作不够细致，实验都失败了。法拉第开始也是这样想的，实验没有成功。但他善于抓住新事物的苗头，坚信磁能够产生电，并以他精湛的实验技巧和敏锐地捕捉现象的能力，经过十年不懈的努力，终于在1831年8月29日第一次观察到电流变化时产生的感应现象。紧接着，他做了一系列实验，用来判明产生感应电流的条件和决定感应电流的因素揭示了感应现象的奥秘。虽然他没有用数学公式将他的研究成果表达出来（电磁感应定律的数学公式是1845年诺埃曼给出的），但是，他对电磁感应现象的丰富研究，这一发现的荣誉归功于他是当之无愧的。
1． 电磁感应现象
下面结合几个演示实验来说明：什么是电磁感应现象？产生电磁感应现象的条件是什么
图5－1电磁感应现象演示之一
图5－2电磁感应现象演示之二
图5－3电磁感应现象演示之三
图5－4电磁感应现象演示之四
2． 法拉第电磁感应定律
在上述实验中看到，穿过导线回路的磁通量变化得越快，感应电动势越大。此外，在不同的条件下，感应电动势的方向亦不同。为了表述电磁感应的规律，设在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，那么，在 ,这段时间内穿过回路的磁通量的变化是 ，
则磁通量的变化率 反映了磁通量变化的快慢和趋势。
精确的实验表明，导体回路中感应电动势 的大小与穿过回路的磁通量的变化率 成正比。这个结论叫做法拉第电磁感应定律。用公式来表示就是
或
式中 是比例常数，它的数值决定于式中各量的单位。如果 的单位用韦伯，时在上述实验中我们已经看到，穿过导线回路的磁通量变化得越快，感应电动势越大。此外，在不同的条件下，感应电动势的方向亦不同。为了表述电磁感应的规律，设在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，那么，在 ,这段时间内穿过回路的磁通量的变化是 ，则磁通量的变化率 反映了磁通量变化的快慢和趋势。精确的实验表明，导体回路中感应电动势 的大小与穿过回路的磁通量的变化率 成正比。这个结论叫做法拉第电磁感应定律。用公式来表示就是
或
式中 是比例常数，它的数值决定于式中各量的单位。如果 的单位用韦伯，时间单位用秒， 的单位用伏特，则 ，
，
式中的负号代表感应电动势方向，这个问题将在下面讨论。在有些场合中不着重研究方向问题，这个负号也可不写。
式只适用于单匝导线组成的回路。如果回路不是单匝线框而是多匝线圈，那么当磁通量变化时，每匝中都将产生感应电动势。由于匝与匝之间是互相串联的，整个线圈的总电动势就等于各匝所产生的电动势之和。令 、 、… 分别是通过各匝线圈的磁通量，则
，
式中 叫做磁通匝链数或全磁通。如果穿过每匝线圈的磁通量相同，均为 ，则 ,
图5－5电磁感应现象演示之五
图5－6电磁感应现象演示之六
图5－7电磁感应现象演示之七
感应电动势的方向问题是法拉第电磁感应定律的重要组成部分。在每个具体场合里， 可以根据实验记下感应电动势的方向。然而为了把各种场合中感应电动势的方向用一个统一的公式表示出来，就得先规定一些正负号法则。电动势和磁通量都是标量（代数量），它们的方向（更确切地说，应是它们的正负）都是相锐角对于某一标定方向而言的。为了描述电动势的方向，先得标定回路的绕行方向。有了它，电动势取正值表示其方向与此标定方向一致；取负值表示其方向与此标定方向相反。磁通量 是磁感应强度矢量B沿以回路为边界的曲面的积分， 的正负有赖于此曲面法线矢量n方向的选择。选定n的方向之后，若B与n的夹角为锐角，则 取正值；若B与n的夹角为钝角，则 取负值。有了 的正负，其变化率 的正负也就有了确定的意义。，
3 楞次定律
1834年楞次提出了另一种直接判断感应电流方向的方法，从而根据感应电流的方向可以说明感应电动势方向。我们回顾一下，把磁棒的N极插入线圈和从线圈中拔出的实验，并将实验中感应电流的方向示于图5-2中，在图所示把N极插入线圈的情形，磁棒的磁感应线的方向朝下，可以看出磁棒插入过程中穿过线圈的向下的磁通量增加。根据右手定则可知，这时感应电流所激发的磁场方向朝上，其作用相当于阻止线圈中磁通量的增加。在图所示把N极拔出的情形，穿过线圈向下的磁通量减少，而这时感应电流所激发的磁场方向朝下，其作用相当于阻止磁通量的减少。
具体分析其他的电磁感应实验，也可以发现同样的规律。因此，可以得到结论：闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化(增加或减少)。这个结论叫做楞次定律。
1） 用楞次定律来判断感应电流的方向，可按照下面的步骤：
首先判明穿过闭合回路的磁通量沿什么方向，发生什么变化（增加还是减少）；然后根据楞次定律来确定感应电流所激发的磁场沿何方向（与原来的磁场反向还是同向）；最后根据右手定则从感应电流产生的磁场方向确定感可见，运用楞次定律判断感应电流的方向与用法拉第定律是一致的。还可以从另一个角度来理解上述实验结果。当把磁棒的N极插入线圈时，线圈因有感应电流流过时也相当于一根磁棒，如图5-8a所示，线圈的N极出现在上端，与磁棒的N极相对，两者互相排斥，其效果是反抗磁棒的插入。同样，当把磁棒的N极从线圈内拔出时，如图5-2所示，线圈的S极出现在上端，它和磁棒的N极互相吸引，其效果是阻止磁棒的拔出。
2）楞次定律还可以表述为：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。这里所说的“效果”，既可理解为感应电流所激发的磁场，也可理解为因感应电流出现而引起的机械作用，这里所说的“原因’，既可指磁通量的变化，也可指引起磁通量变化的相对运动或回路的形变。
3）感应电流取楞次定律所述的方向并不奇怪，它是能量守恒和转化定律的必然结果。我们知道，感应电流在闭合回路中流动时将释放焦耳热。根据能量守恒和转化定律，能量不可能无中生有，这部分热只可能从其它形式的能量转化而来。在上述例子里，按照楞次定律，把磁棒插入线圈或从线圈内拔出时，都必须克服斥力或引力做机械功，实际上，正是这部分机械功转化成感应电流所释放的焦耳热。设想感应电流的效果不是反抗引起感应电流的原因，那么在上述例子里，将磁棒插入或拔出的过程中，既对外做功，又释放焦耳热，这显然是违反能量守恒和转化定律的。因此，感应电流只有按照楞次定律所规定的方向流动，才能符合能量守恒和转化定律。
5-8 涡电流
4 涡电流和电磁阻尼
1）涡电流
在许多电磁设备中常常有大块的金属存在（如发电机和变压器中的铁芯），当这些金属块 应电流。例如，处在变化的磁场中或相对于磁场运动时，在它们的内部也会产生感
如图5-8所示，在圆柱形的铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，铁芯就处在交变磁场中。铁芯可看作是由一系列半径逐渐变化的圆柱状薄壳组成，每层薄壳自成一个闭合回路。在交变磁场中，通过这些薄壳的磁通量都在不断地变化，所以沿着一层层的壳壁产生感应电流。从铁芯的 端电流的
图5-9 高频感应电炉
流线呈闭合的涡旋状，因而这种感应电流叫做涡电流，简称为涡流。
2） 涡电流的应用
由于大块金属的电阻很小，因此涡流可达非常大的强度。强大的涡流在金属内流动时， 会释放出大量的焦耳热。工业上利用这种热效应，制成高频感应电炉来冶炼金属。高频感应电炉的结构原理见图5-9。在坩埚的外缘绕有线圈，当线圈同大功率高频交变电源接通时，高频交变电流在线圈内激发很强的高频交变磁场，这时放在坩埚内的被冶炼的金属因电磁感应而产生涡流，释放出大量的焦耳热，结果使自身熔化。这种加热和冶炼方法的独特优点是无接触加热。把金属和坩埚等放在真空室加热，可以使金属不受沾污，并且不致在高温下氧化；此外，由于它是在金属内部各处同时加热，而不是使热量从外面传递进去，因此加热的效率高，速度快。高频感应电炉已广泛用于冶炼特种钢、难熔或活泼性较强的金属，以及提纯半导体材料等工艺中。
3） 涡流损耗
涡流所产生的热在某些问题中非常有害。在电机和变压器中，为了增大磁感应强度，都采用了铁芯，当电机或变压器的线圈中通过交变电流时，铁芯中将产生很大的涡流，白白损耗了大量的能量（叫做铁芯的涡流损耗)，甚至发热量可能大到烧毁这些设备。为了减小涡流及其损失，通常采用叠合起来的硅钢片代替整块铁芯，并使硅钢片平面与磁感应线平行。以变压器的铁芯为例来说明。变压器中间的矩形铁芯，铁芯的两边绕有多匝的原线圈（或称初级绕组）A 和副线圈（或称次级绕组）A ，电流通过线圈所产生的磁感应线主要集中在铁芯中。磁通量的变化除了在原、副线圈内产生感应电动势之外，也将在铁芯的每个横截面（例如 截面）内产生循环的涡电流。若铁芯是整块的，对于涡流来说电阻很小，因涡流而损耗的焦耳热就很大；若铁芯用硅钢片制作，并且硅钢片平面与磁感应线平行，如图5-lld，一方面由于硅钢片本身的电阻率较大，另一方面各片之间涂有绝缘漆或附有天然的绝缘氧化层，把涡流限制在各薄片内，使涡流大为减小，从而减少了电能的损耗。
4）电磁阻尼
涡流除了热效应外，它所产生的机械效应在实际中有很广的应用，可用作电磁阻尼。为了说明电磁阻尼的原理，把铜（或铝）片悬挂在电磁铁的两极间，形成一个摆。在电磁铁线圈未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较长时间才会停下来。一旦当电磁铁被励磁之后，由于穿过运动导体的磁通量发生变化，铜片内将产生感应电流。根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，因此，铜片摆锤的摆动便受阻力而迅速停止。在许多电磁仪表中，为了使测量时指针的摆动能够迅速稳定下来，就是采用了类似的电磁阻尼。电气火车中所用的电磁制动器也是根据同样的道理制成的。涡流的电磁阻尼作用是一种阻碍相对运动的作用。
5 趋肤效应
图5-10趋肤效应图
在直流电路里，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里，随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中。图5-10所示，为一根半径R=0.1厘米的铜导线横截面上电流密度分布随频率变化的情况。可以看出，在 =1千周的情况下，导线轴线和表面附近电流密度的差别还不太大， 但当 = 100千周时，电流已很明显地集中到表面附近了。这种现象叫做趋肤效应。
讨论:
(1) 趋肤效应使导线的有效截面积减小了，从而使它的等效电阻增加。
在高频下导线的电阻会显著地随频率增加。为了减少这种效应，频率不
5-11趋肤效应的说明
太大（ 10-l00千周）常采用辫线，即用相互绝缘的细导线编织成束来代替同样总截面积的实心导线。而高频线圈所用的导线表面还需镀银，以减少表面层的电阻。
(2) 趋肤效应在工业上可用一于金属的表面淬火。 用高频强电流通过一块金属，由于趋肤效应，它的表面首先被加热，迅速达到可淬火的温度，而内部温度较低。这时立 即淬火使之冷却，表面就会变得很硬，内部仍保持原有的韧性。
(3)严格地说，趋肤效应本质上是衰减电磁波向导体内传播引起的效应，但是在趋肤效应不太显著的情况卜，可作如下粗浅说明。如图5-- 11所示，当一根导线中有电流 通过时，在它周围产生环形磁场B。当 变化时，B也跟着变化。变化的磁场在导体内产生感应电动势 和涡流 如果分析一下涡流 和原来的电流 在各瞬时的方向，将会看出，在一个周期的大部分时间里，轴线附近 和 方向相反，表面附近 和 方向相同。于是在导线横截面上电流密度的分布将是边缘大于中心，从而产生趋肤效应。要仔细地分析这个问题，必须考虑涡流 和原来电流 的位相关系。定量地描述趋肤效应的大小，通常引用趋肤深度的概念。令 代表从导体表面算起的深度，计算表明，电流密度 随深度 的增加按指数律衰减：
其中 代表导体表面的电流密度， 是一个具有长度量纲的量，它代表电流密度 已减小到 的1/ ≈37%时的深度，叫做趋肤深度。
(4)理论计算表明，趋肤深度由下式决定：
。
这里 是频率。上式表明，趋肤深度与频率 、电导率 和磁导率 的平方根成反比。定性地看，交流电的频率越高，感生的电动势就越大；导体的电导率 越大，即它的电阻率 越小，产生的涡流也越大。这都会使得趋肤效应变得显著，即趋肤深度变小。上式所反映的就是这个道理。
§5- 2 动生电动势和感生电动势
为了对电磁感应现象有进一步的了解，下面按照磁通量变化原因的不同，分为两种情况具体讨论。
1）在稳恒磁场中运动着的导体内产生感应电动势，
2）导体不动．因磁场的变化产生感应电动势，前者叫做动生电动势，后者叫做感生电动势。
1 动生电动势
动生电动势可以看成是洛伦兹力所引起的。
分析上节例题1的情况。如图5-17，当导体以速度v向右运动时，导体内的自由电子也以速度v跟随它向右运动。按照洛伦兹力公式，自由电子受到的洛伦兹力为 f = (v B),
式中 为电子所带的电量，f 的方向如图所示由D指向C。在洛伦兹力的推动下，自由电子将沿着DCBA方向运动，即电流是沿着ABCD方向的。如果没有固定的导体框与导体CD相接触，洛伦兹力将使自由电子向C聚集，使C端带负电，而D端带正电；也就是说把运动的这一段导体看成电源时，C端为负极，D端为正极。
作用在电子上的洛伦兹力是一种非静电性的力。电动势是反映电源性能的物理量，是衡量电源内部非静电力K大小的物理量。电动势定义为单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极的过程中，非静电力所做的功。在这里，非静电力就是作用在单位正电荷上的洛伦兹力：
K
于是，动生电动势就是
在图5-17情形，由于v B，而且单位正电荷受力的方向，即（v B）的方向与 l方向一致，上式积分化为
。
这一结果与上节例题1通过回路磁通量变化所计算的结果相同。
讨论：
1）从以上的讨论可以看出，动生电动势只可能存在于运动的这一段导体上，而不动的那一段导体上没有电动势，它只是提供电流可运行的通路，如果仅仅有一段导线在磁场中运动，而没有回路，在这一段导线上虽然没有感应电流，但仍可能有动生电动势。至于运动导线在什么情况下才有动生电动势，这要看导线在磁场中是如何运动的。例如导线顺着磁场方向运动，根据洛伦兹力来判断，则不会有动生电动势；若导线横切磁场方向运动，则有动生电动势，因此，有时形象地说成“导线切割磁感应线时产生动生电动势”。
2）上面讨论的只是特殊情况（直导线，均匀磁场，导线垂直磁场平移），对于普遍情况，在磁场内安放一个任意形状的导线线圈L，线圈可以是闭合的，也可以是不闭合的，当这线圈在运动或发生形变时，这一线圈中的任意一小段 l都可能有一速度v，一般地不同 1的速度v不同，这时在整个线圈中产生的动生电动势为
。
上式提供了另外一种计算感应电动势的方法。
3）也许会发生这样的问题：由于f v，洛伦兹力永远对电荷不做功，而这里又说动生电动势是由洛伦兹力作功引起的，两者是否矛盾？其实并不矛盾，这里的讨论只计及洛伦兹力的一部分。全面考虑的话，在运动导体中的电子不但具有导体本身的速度v , 而且还有相对导体的定向运动速度u，正是由于电子的后一运动构成了感应电流。因此，电子所受的总的洛伦兹力为
。
它与合成速度（ ）垂直（见图5-19），总的洛伦兹力不对电子做功。然而F的一个分量 却对电子做正功，形成动生电动势；而另一个分量
它的方向沿 ，它是阻碍导体运动的，从而作负功。可以证明两个分量所做的功的代数和等于零。因此，洛伦兹力的作用并不提供能量，而只是传递能量，即外力克服洛伦兹力的一个分量 所作的功通过另一分量 转化为感应电流的能量。
3 感生电动势 涡旋电场
导体在磁场中运动产生动生电动势，其非静电力是洛伦兹力；在磁场变化产生感生电动势的情形里，非静电力又是什么呢？实验表明，感生电动势完全与导体的种类和性质无关。这说明感生电动势是由变化的磁场本身引起的。麦克斯韦分析了一些电磁感应现象之后，敏锐地感觉到感生电动势现象预示着有关电磁场的新效应。他相信即使不存在导体回路，变化的磁场在其周围也会激发一种电场，叫做感应电场或涡旋电场。这种电场与静电场的共同点就是对电荷有作用力；与静电场不同之处，一方面在于这种涡旋电场不是由电荷激发，而是由变化的磁场所激发；另一方面在于描述涡旋电场的电力线是闭合的，从而它不是保守场（或
叫位场），用数学式子来表示则有
，
而产生感生电动势的非静电力K正是这一涡旋电场 ，即
。
涡旋电场的存在已为许多实验所证实，下面将要介绍研究核反应所用的电子感应加速器就是例证。
在一般的情形下，空间的总电场E是静电场E （它是一个保守场或位场）和涡旋电场E 的迭加，即
E＝E ＋E ，
其中 ，所以感生电动势又可写成
，
另一方面，按照法拉第电磁感应定律
，
式中的面积分的区间S是以环路L为周界的曲面。当环路不变动时，可以将对时间的微商和对曲面的积分两个运算的顺序颠倒，则得
。 （5 11）
此式是电磁学的基本方程之一。
在稳恒的条件下，一切物理量不随时间变化， 或 ，式（5 11）变为
，
这便是静电场的环路定理。由此可见，式（5 11）是静电场的环路定理在非稳恒条件下的推广。
最后应当指出，上面把感应电动势分成动生的和感生的两种，这种分法在一定程度上只有相对的意义。例如在图5-8所示的情形，如果在线圈为静止的参照系内观察，磁棒的运动引起空间磁场的变化，线圈中的电动势是感生的。但是如果我们在随磁棒一起运动的参照系内观察，则磁棒是静止的，空间的磁场也未发生变化，而线圈在运动，因而线圈内的电动势是动生的。所以，由于运动是相对的，就发生了这样的情况，同一感应电动势，在某一参照系内看，是感生的，在另一参照系内看，变成动生的了。然而，我们也必须看到，坐标变换只能在一定程度上消除动生和感生电动势的界限。在普遍情况下不可能通过坐标变换把感生电动势完全归结为动生电动势，反之亦然
例题：一无限长直导线载有5.0A直流电流，旁边有一个与它共面的矩形线圈ABCD，已知l= 20cm, a = 10cm, b=20cm；线圈共有N = 1000匝，以v= 3.Om/s的速度离开直导线，如图所示。试求线圈里的感应电动势的大小和方向。
解 由于 为稳恒电流，所以它在空间各点产生的磁场为稳恒磁场。当矩形线圈 运动时，不同时刻通过线圈的磁通量发生变化，故有感应电动势产生。取坐标系如图（a）所示。
设矩形线圈以速度 以图示位置开始运动，
则经过时间 之后，线圈位置如图（b）所示，
取面积元d = ，距长直导线的距离为 ，按
无限长直载流导线的磁感应强度公式知， 的大小为
通过该面积元的磁通量为
于是通过线圈的磁通量为
由法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈内的感应
电动势为
令 =0，并代人数据，则得线圈刚离开直导线时的感应电动势
(V)
按楞次定律可知 的方向为图（b）中的顺时针方向。
讨论： 这是法拉第电磁感应定律的直接应用。当线圈中的磁通量发生变化时，在线圈中就会激发出感应电动势，对于闭合线圈，就会在其内部产生感应电流。求解这类问题的关键是确定磁通量的变化关系。
例题：如图（a）所示，无限长直导线中的
电流为 ，在它附近有一边长为2a的正方形线圈，
可绕其中心轴 以匀角速度 旋转，转轴
与长直导线的距离为 。试求线圈中的感应电动势。
解 由于线圈ABCD在磁场中旋转，穿过其
上的磁通量发生变化，则由法拉第电磁感应定律
可知，将在线圈中产生感应电动势，当线圈转过
任意角度 时，如图（b）所示，这时通过
线圈的磁通量与通过 =0位置时某一等效线圈的
两侧磁通量相等，此等效线圈的两侧边分别与长
直导线相距 和 ,则通过此等效线圈的磁通量为
式中 可由余弦定理求得
代入上式，得
不难看出， 随时间变化。于是，线圈中的感应电动势为
的方向作周期性变化。
例题： 本题关键是确定线圈ABCD的磁通量变化关系，再由法拉第电磁感应定律，确定出线圈中的感应电动势。
4 电子感应加速器
前面提到，即使没有导体存在，变化的磁场也在空间激发涡旋状的感应电场。电子感应加速器便应用了这个原理。电子加速器是加速电子的装置。它的主要部分如图5-21所示，划斜线区域为电磁铁的两极，在其间隙中安放一个环形真空室。电磁铁用频率约每秒数十周的强大交变电流来励磁，使两极间
的磁感应强度B往返变化，从而在环形室内感应出很强的涡旋电场。用电子枪将电子注入环形室，它们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆形轨道运动。在励磁电流交变的一个周期中，只有 区间能用于加速电子。下面我们分析一下这个问题。如图5-22, 把磁场变化的一个周期分成四个阶段，在这四个阶段中磁场B的方向和变化趋势各不相同，因而起的涡旋电场的方向也不相同，如图中所示。可以看出，在电子枪如图5 -21所示的情况下，为使电子得到加速，涡旋电场应是顺时针方向，即磁场的第一个或第四个 周期可以用来加速电子；其次，为使电子不断加速，必须维持电子沿圆形轨道运动，电子受磁场的洛伦兹力应指向圆心。可以看出，只有第一或第二个 周期的区间才能做到。统观考虑，只有在磁场变化的第一个 周期的区间内，电子才能在涡旋电场的作用下不断加速。因此，连续将电子注入，在每第一个 周期末，利用特殊的装置将电子束引离轨道射在靶上，即可进行试验。电子感应加速器的另一个基本问题是如何使电子维持在恒定滴轨道上加速，这对磁场的径向分布有一定的要求。设电子轨道处的磁场为 ，电子作圆形轨道运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此，
，
得 。
式(5.12)表明，只要电子动量随磁感应强度成比例地增加，就
位移是牛顿粒子，场的运动是旋转
对称场
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§ 5 电磁感应和暂态过程
(Electromagnetic induction and transient process)
法拉第(Faraday,Michael, 1791-1867)
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一
它揭示了电与磁相互联系和转化的重要方面。它的发现在科学上和技术上都具有划时代的意义。它不仅丰富了人类对于电磁现象本质的认识，推动了电磁学理论的发展；而且在实践上开拓了广泛应用的前途。
本章在电磁感应现象的基础上，逐步深入地讨论电磁感应的规律，以及有关的问题
§ 5-1电磁感应定律
1820年，奥斯特的发现第一次揭示了电流能够产生磁，从而开辟了一个全新的研究领域。当时不少物理学家想到：既然电能够产生磁，磁是否也能产生电？然而他们或者是因为固守着稳恒的磁能够产生电的成见，或者是因为工作不够细致，实验都失败了。法拉第开始也是这样想的，实验没有成功。但他善于抓住新事物的苗头，坚信磁能够产生电，并以他精湛的实验技巧和敏锐地捕捉现象的能力，经过十年不懈的努力，终于在1831年8月29日第一次观察到电流变化时产生的感应现象。紧接着，他做了一系列实验，用来判明产生感应电流的条件和决定感应电流的因素揭示了感应现象的奥秘。虽然他没有用数学公式将他的研究成果表达出来（电磁感应定律的数学公式是1845年诺埃曼给出的），但是，他对电磁感应现象的丰富研究，这一发现的荣誉归功于他是当之无愧的。
1． 电磁感应现象
下面结合几个演示实验来说明：什么是电磁感应现象？产生电磁感应现象的条件是什么
图5－1电磁感应现象演示之一
图5－2电磁感应现象演示之二
图5－3电磁感应现象演示之三
图5－4电磁感应现象演示之四
2． 法拉第电磁感应定律
在上述实验中看到，穿过导线回路的磁通量变化得越快，感应电动势越大。此外，在不同的条件下，感应电动势的方向亦不同。为了表述电磁感应的规律，设在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，那么，在 ,这段时间内穿过回路的磁通量的变化是 ，
则磁通量的变化率 反映了磁通量变化的快慢和趋势。
精确的实验表明，导体回路中感应电动势 的大小与穿过回路的磁通量的变化率 成正比。这个结论叫做法拉第电磁感应定律。用公式来表示就是
或
式中 是比例常数，它的数值决定于式中各量的单位。如果 的单位用韦伯，时在上述实验中我们已经看到，穿过导线回路的磁通量变化得越快，感应电动势越大。此外，在不同的条件下，感应电动势的方向亦不同。为了表述电磁感应的规律，设在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，在时刻 穿过导线回路的磁通量是 ，那么，在 ,这段时间内穿过回路的磁通量的变化是 ，则磁通量的变化率 反映了磁通量变化的快慢和趋势。精确的实验表明，导体回路中感应电动势 的大小与穿过回路的磁通量的变化率 成正比。这个结论叫做法拉第电磁感应定律。用公式来表示就是
或
式中 是比例常数，它的数值决定于式中各量的单位。如果 的单位用韦伯，时间单位用秒， 的单位用伏特，则 ，
，
式中的负号代表感应电动势方向，这个问题将在下面讨论。在有些场合中不着重研究方向问题，这个负号也可不写。
式只适用于单匝导线组成的回路。如果回路不是单匝线框而是多匝线圈，那么当磁通量变化时，每匝中都将产生感应电动势。由于匝与匝之间是互相串联的，整个线圈的总电动势就等于各匝所产生的电动势之和。令 、 、… 分别是通过各匝线圈的磁通量，则
，
式中 叫做磁通匝链数或全磁通。如果穿过每匝线圈的磁通量相同，均为 ，则 ,
图5－5电磁感应现象演示之五
图5－6电磁感应现象演示之六
图5－7电磁感应现象演示之七
感应电动势的方向问题是法拉第电磁感应定律的重要组成部分。在每个具体场合里， 可以根据实验记下感应电动势的方向。然而为了把各种场合中感应电动势的方向用一个统一的公式表示出来，就得先规定一些正负号法则。电动势和磁通量都是标量（代数量），它们的方向（更确切地说，应是它们的正负）都是相锐角对于某一标定方向而言的。为了描述电动势的方向，先得标定回路的绕行方向。有了它，电动势取正值表示其方向与此标定方向一致；取负值表示其方向与此标定方向相反。磁通量 是磁感应强度矢量B沿以回路为边界的曲面的积分， 的正负有赖于此曲面法线矢量n方向的选择。选定n的方向之后，若B与n的夹角为锐角，则 取正值；若B与n的夹角为钝角，则 取负值。有了 的正负，其变化率 的正负也就有了确定的意义。，
3 楞次定律
1834年楞次提出了另一种直接判断感应电流方向的方法，从而根据感应电流的方向可以说明感应电动势方向。我们回顾一下，把磁棒的N极插入线圈和从线圈中拔出的实验，并将实验中感应电流的方向示于图5-2中，在图所示把N极插入线圈的情形，磁棒的磁感应线的方向朝下，可以看出磁棒插入过程中穿过线圈的向下的磁通量增加。根据右手定则可知，这时感应电流所激发的磁场方向朝上，其作用相当于阻止线圈中磁通量的增加。在图所示把N极拔出的情形，穿过线圈向下的磁通量减少，而这时感应电流所激发的磁场方向朝下，其作用相当于阻止磁通量的减少。
具体分析其他的电磁感应实验，也可以发现同样的规律。因此，可以得到结论：闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化(增加或减少)。这个结论叫做楞次定律。
1） 用楞次定律来判断感应电流的方向，可按照下面的步骤：
首先判明穿过闭合回路的磁通量沿什么方向，发生什么变化（增加还是减少）；然后根据楞次定律来确定感应电流所激发的磁场沿何方向（与原来的磁场反向还是同向）；最后根据右手定则从感应电流产生的磁场方向确定感可见，运用楞次定律判断感应电流的方向与用法拉第定律是一致的。还可以从另一个角度来理解上述实验结果。当把磁棒的N极插入线圈时，线圈因有感应电流流过时也相当于一根磁棒，如图5-8a所示，线圈的N极出现在上端，与磁棒的N极相对，两者互相排斥，其效果是反抗磁棒的插入。同样，当把磁棒的N极从线圈内拔出时，如图5-2所示，线圈的S极出现在上端，它和磁棒的N极互相吸引，其效果是阻止磁棒的拔出。
2）楞次定律还可以表述为：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。这里所说的“效果”，既可理解为感应电流所激发的磁场，也可理解为因感应电流出现而引起的机械作用，这里所说的“原因’，既可指磁通量的变化，也可指引起磁通量变化的相对运动或回路的形变。
3）感应电流取楞次定律所述的方向并不奇怪，它是能量守恒和转化定律的必然结果。我们知道，感应电流在闭合回路中流动时将释放焦耳热。根据能量守恒和转化定律，能量不可能无中生有，这部分热只可能从其它形式的能量转化而来。在上述例子里，按照楞次定律，把磁棒插入线圈或从线圈内拔出时，都必须克服斥力或引力做机械功，实际上，正是这部分机械功转化成感应电流所释放的焦耳热。设想感应电流的效果不是反抗引起感应电流的原因，那么在上述例子里，将磁棒插入或拔出的过程中，既对外做功，又释放焦耳热，这显然是违反能量守恒和转化定律的。因此，感应电流只有按照楞次定律所规定的方向流动，才能符合能量守恒和转化定律。
5-8 涡电流
4 涡电流和电磁阻尼
1）涡电流
在许多电磁设备中常常有大块的金属存在（如发电机和变压器中的铁芯），当这些金属块 应电流。例如，处在变化的磁场中或相对于磁场运动时，在它们的内部也会产生感
如图5-8所示，在圆柱形的铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，铁芯就处在交变磁场中。铁芯可看作是由一系列半径逐渐变化的圆柱状薄壳组成，每层薄壳自成一个闭合回路。在交变磁场中，通过这些薄壳的磁通量都在不断地变化，所以沿着一层层的壳壁产生感应电流。从铁芯的 端电流的
图5-9 高频感应电炉
流线呈闭合的涡旋状，因而这种感应电流叫做涡电流，简称为涡流。
2） 涡电流的应用
由于大块金属的电阻很小，因此涡流可达非常大的强度。强大的涡流在金属内流动时， 会释放出大量的焦耳热。工业上利用这种热效应，制成高频感应电炉来冶炼金属。高频感应电炉的结构原理见图5-9。在坩埚的外缘绕有线圈，当线圈同大功率高频交变电源接通时，高频交变电流在线圈内激发很强的高频交变磁场，这时放在坩埚内的被冶炼的金属因电磁感应而产生涡流，释放出大量的焦耳热，结果使自身熔化。这种加热和冶炼方法的独特优点是无接触加热。把金属和坩埚等放在真空室加热，可以使金属不受沾污，并且不致在高温下氧化；此外，由于它是在金属内部各处同时加热，而不是使热量从外面传递进去，因此加热的效率高，速度快。高频感应电炉已广泛用于冶炼特种钢、难熔或活泼性较强的金属，以及提纯半导体材料等工艺中。
3） 涡流损耗
涡流所产生的热在某些问题中非常有害。在电机和变压器中，为了增大磁感应强度，都采用了铁芯，当电机或变压器的线圈中通过交变电流时，铁芯中将产生很大的涡流，白白损耗了大量的能量（叫做铁芯的涡流损耗)，甚至发热量可能大到烧毁这些设备。为了减小涡流及其损失，通常采用叠合起来的硅钢片代替整块铁芯，并使硅钢片平面与磁感应线平行。以变压器的铁芯为例来说明。变压器中间的矩形铁芯，铁芯的两边绕有多匝的原线圈（或称初级绕组）A 和副线圈（或称次级绕组）A ，电流通过线圈所产生的磁感应线主要集中在铁芯中。磁通量的变化除了在原、副线圈内产生感应电动势之外，也将在铁芯的每个横截面（例如 截面）内产生循环的涡电流。若铁芯是整块的，对于涡流来说电阻很小，因涡流而损耗的焦耳热就很大；若铁芯用硅钢片制作，并且硅钢片平面与磁感应线平行，如图5-lld，一方面由于硅钢片本身的电阻率较大，另一方面各片之间涂有绝缘漆或附有天然的绝缘氧化层，把涡流限制在各薄片内，使涡流大为减小，从而减少了电能的损耗。
4）电磁阻尼
涡流除了热效应外，它所产生的机械效应在实际中有很广的应用，可用作电磁阻尼。为了说明电磁阻尼的原理，把铜（或铝）片悬挂在电磁铁的两极间，形成一个摆。在电磁铁线圈未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较长时间才会停下来。一旦当电磁铁被励磁之后，由于穿过运动导体的磁通量发生变化，铜片内将产生感应电流。根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，因此，铜片摆锤的摆动便受阻力而迅速停止。在许多电磁仪表中，为了使测量时指针的摆动能够迅速稳定下来，就是采用了类似的电磁阻尼。电气火车中所用的电磁制动器也是根据同样的道理制成的。涡流的电磁阻尼作用是一种阻碍相对运动的作用。
5 趋肤效应
图5-10趋肤效应图
在直流电路里，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里，随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中。图5-10所示，为一根半径R=0.1厘米的铜导线横截面上电流密度分布随频率变化的情况。可以看出，在 =1千周的情况下，导线轴线和表面附近电流密度的差别还不太大， 但当 = 100千周时，电流已很明显地集中到表面附近了。这种现象叫做趋肤效应。
讨论:
(1) 趋肤效应使导线的有效截面积减小了，从而使它的等效电阻增加。
在高频下导线的电阻会显著地随频率增加。为了减少这种效应，频率不
5-11趋肤效应的说明
太大（ 10-l00千周）常采用辫线，即用相互绝缘的细导线编织成束来代替同样总截面积的实心导线。而高频线圈所用的导线表面还需镀银，以减少表面层的电阻。
(2) 趋肤效应在工业上可用一于金属的表面淬火。 用高频强电流通过一块金属，由于趋肤效应，它的表面首先被加热，迅速达到可淬火的温度，而内部温度较低。这时立 即淬火使之冷却，表面就会变得很硬，内部仍保持原有的韧性。
(3)严格地说，趋肤效应本质上是衰减电磁波向导体内传播引起的效应，但是在趋肤效应不太显著的情况卜，可作如下粗浅说明。如图5-- 11所示，当一根导线中有电流 通过时，在它周围产生环形磁场B。当 变化时，B也跟着变化。变化的磁场在导体内产生感应电动势 和涡流 如果分析一下涡流 和原来的电流 在各瞬时的方向，将会看出，在一个周期的大部分时间里，轴线附近 和 方向相反，表面附近 和 方向相同。于是在导线横截面上电流密度的分布将是边缘大于中心，从而产生趋肤效应。要仔细地分析这个问题，必须考虑涡流 和原来电流 的位相关系。定量地描述趋肤效应的大小，通常引用趋肤深度的概念。令 代表从导体表面算起的深度，计算表明，电流密度 随深度 的增加按指数律衰减：
其中 代表导体表面的电流密度， 是一个具有长度量纲的量，它代表电流密度 已减小到 的1/ ≈37%时的深度，叫做趋肤深度。
(4)理论计算表明，趋肤深度由下式决定：
。
这里 是频率。上式表明，趋肤深度与频率 、电导率 和磁导率 的平方根成反比。定性地看，交流电的频率越高，感生的电动势就越大；导体的电导率 越大，即它的电阻率 越小，产生的涡流也越大。这都会使得趋肤效应变得显著，即趋肤深度变小。上式所反映的就是这个道理。
§5- 2 动生电动势和感生电动势
为了对电磁感应现象有进一步的了解，下面按照磁通量变化原因的不同，分为两种情况具体讨论。
1）在稳恒磁场中运动着的导体内产生感应电动势，
2）导体不动．因磁场的变化产生感应电动势，前者叫做动生电动势，后者叫做感生电动势。
1 动生电动势
动生电动势可以看成是洛伦兹力所引起的。
分析上节例题1的情况。如图5-17，当导体以速度v向右运动时，导体内的自由电子也以速度v跟随它向右运动。按照洛伦兹力公式，自由电子受到的洛伦兹力为 f = (v B),
式中 为电子所带的电量，f 的方向如图所示由D指向C。在洛伦兹力的推动下，自由电子将沿着DCBA方向运动，即电流是沿着ABCD方向的。如果没有固定的导体框与导体CD相接触，洛伦兹力将使自由电子向C聚集，使C端带负电，而D端带正电；也就是说把运动的这一段导体看成电源时，C端为负极，D端为正极。
作用在电子上的洛伦兹力是一种非静电性的力。电动势是反映电源性能的物理量，是衡量电源内部非静电力K大小的物理量。电动势定义为单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极的过程中，非静电力所做的功。在这里，非静电力就是作用在单位正电荷上的洛伦兹力：
K
于是，动生电动势就是
在图5-17情形，由于v B，而且单位正电荷受力的方向，即（v B）的方向与 l方向一致，上式积分化为
。
这一结果与上节例题1通过回路磁通量变化所计算的结果相同。
讨论：
1）从以上的讨论可以看出，动生电动势只可能存在于运动的这一段导体上，而不动的那一段导体上没有电动势，它只是提供电流可运行的通路，如果仅仅有一段导线在磁场中运动，而没有回路，在这一段导线上虽然没有感应电流，但仍可能有动生电动势。至于运动导线在什么情况下才有动生电动势，这要看导线在磁场中是如何运动的。例如导线顺着磁场方向运动，根据洛伦兹力来判断，则不会有动生电动势；若导线横切磁场方向运动，则有动生电动势，因此，有时形象地说成“导线切割磁感应线时产生动生电动势”。
2）上面讨论的只是特殊情况（直导线，均匀磁场，导线垂直磁场平移），对于普遍情况，在磁场内安放一个任意形状的导线线圈L，线圈可以是闭合的，也可以是不闭合的，当这线圈在运动或发生形变时，这一线圈中的任意一小段 l都可能有一速度v，一般地不同 1的速度v不同，这时在整个线圈中产生的动生电动势为
。
上式提供了另外一种计算感应电动势的方法。
3）也许会发生这样的问题：由于f v，洛伦兹力永远对电荷不做功，而这里又说动生电动势是由洛伦兹力作功引起的，两者是否矛盾？其实并不矛盾，这里的讨论只计及洛伦兹力的一部分。全面考虑的话，在运动导体中的电子不但具有导体本身的速度v , 而且还有相对导体的定向运动速度u，正是由于电子的后一运动构成了感应电流。因此，电子所受的总的洛伦兹力为
。
它与合成速度（ ）垂直（见图5-19），总的洛伦兹力不对电子做功。然而F的一个分量 却对电子做正功，形成动生电动势；而另一个分量
它的方向沿 ，它是阻碍导体运动的，从而作负功。可以证明两个分量所做的功的代数和等于零。因此，洛伦兹力的作用并不提供能量，而只是传递能量，即外力克服洛伦兹力的一个分量 所作的功通过另一分量 转化为感应电流的能量。
3 感生电动势 涡旋电场
导体在磁场中运动产生动生电动势，其非静电力是洛伦兹力；在磁场变化产生感生电动势的情形里，非静电力又是什么呢？实验表明，感生电动势完全与导体的种类和性质无关。这说明感生电动势是由变化的磁场本身引起的。麦克斯韦分析了一些电磁感应现象之后，敏锐地感觉到感生电动势现象预示着有关电磁场的新效应。他相信即使不存在导体回路，变化的磁场在其周围也会激发一种电场，叫做感应电场或涡旋电场。这种电场与静电场的共同点就是对电荷有作用力；与静电场不同之处，一方面在于这种涡旋电场不是由电荷激发，而是由变化的磁场所激发；另一方面在于描述涡旋电场的电力线是闭合的，从而它不是保守场（或
叫位场），用数学式子来表示则有
，
而产生感生电动势的非静电力K正是这一涡旋电场 ，即
。
涡旋电场的存在已为许多实验所证实，下面将要介绍研究核反应所用的电子感应加速器就是例证。
在一般的情形下，空间的总电场E是静电场E （它是一个保守场或位场）和涡旋电场E 的迭加，即
E＝E ＋E ，
其中 ，所以感生电动势又可写成
，
另一方面，按照法拉第电磁感应定律
，
式中的面积分的区间S是以环路L为周界的曲面。当环路不变动时，可以将对时间的微商和对曲面的积分两个运算的顺序颠倒，则得
。 （5 11）
此式是电磁学的基本方程之一。
在稳恒的条件下，一切物理量不随时间变化， 或 ，式（5 11）变为
，
这便是静电场的环路定理。由此可见，式（5 11）是静电场的环路定理在非稳恒条件下的推广。
最后应当指出，上面把感应电动势分成动生的和感生的两种，这种分法在一定程度上只有相对的意义。例如在图5-8所示的情形，如果在线圈为静止的参照系内观察，磁棒的运动引起空间磁场的变化，线圈中的电动势是感生的。但是如果我们在随磁棒一起运动的参照系内观察，则磁棒是静止的，空间的磁场也未发生变化，而线圈在运动，因而线圈内的电动势是动生的。所以，由于运动是相对的，就发生了这样的情况，同一感应电动势，在某一参照系内看，是感生的，在另一参照系内看，变成动生的了。然而，我们也必须看到，坐标变换只能在一定程度上消除动生和感生电动势的界限。在普遍情况下不可能通过坐标变换把感生电动势完全归结为动生电动势，反之亦然
例题：一无限长直导线载有5.0A直流电流，旁边有一个与它共面的矩形线圈ABCD，已知l= 20cm, a = 10cm, b=20cm；线圈共有N = 1000匝，以v= 3.Om/s的速度离开直导线，如图所示。试求线圈里的感应电动势的大小和方向。
解 由于 为稳恒电流，所以它在空间各点产生的磁场为稳恒磁场。当矩形线圈 运动时，不同时刻通过线圈的磁通量发生变化，故有感应电动势产生。取坐标系如图（a）所示。
设矩形线圈以速度 以图示位置开始运动，
则经过时间 之后，线圈位置如图（b）所示，
取面积元d = ，距长直导线的距离为 ，按
无限长直载流导线的磁感应强度公式知， 的大小为
通过该面积元的磁通量为
于是通过线圈的磁通量为
由法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈内的感应
电动势为
令 =0，并代人数据，则得线圈刚离开直导线时的感应电动势
(V)
按楞次定律可知 的方向为图（b）中的顺时针方向。
讨论： 这是法拉第电磁感应定律的直接应用。当线圈中的磁通量发生变化时，在线圈中就会激发出感应电动势，对于闭合线圈，就会在其内部产生感应电流。求解这类问题的关键是确定磁通量的变化关系。
例题：如图（a）所示，无限长直导线中的
电流为 ，在它附近有一边长为2a的正方形线圈，
可绕其中心轴 以匀角速度 旋转，转轴
与长直导线的距离为 。试求线圈中的感应电动势。
解 由于线圈ABCD在磁场中旋转，穿过其
上的磁通量发生变化，则由法拉第电磁感应定律
可知，将在线圈中产生感应电动势，当线圈转过
任意角度 时，如图（b）所示，这时通过
线圈的磁通量与通过 =0位置时某一等效线圈的
两侧磁通量相等，此等效线圈的两侧边分别与长
直导线相距 和 ,则通过此等效线圈的磁通量为
式中 可由余弦定理求得
代入上式，得
不难看出， 随时间变化。于是，线圈中的感应电动势为
的方向作周期性变化。
例题： 本题关键是确定线圈ABCD的磁通量变化关系，再由法拉第电磁感应定律，确定出线圈中的感应电动势。
4 电子感应加速器
前面提到，即使没有导体存在，变化的磁场也在空间激发涡旋状的感应电场。电子感应加速器便应用了这个原理。电子加速器是加速电子的装置。它的主要部分如图5-21所示，划斜线区域为电磁铁的两极，在其间隙中安放一个环形真空室。电磁铁用频率约每秒数十周的强大交变电流来励磁，使两极间
的磁感应强度B往返变化，从而在环形室内感应出很强的涡旋电场。用电子枪将电子注入环形室，它们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆形轨道运动。在励磁电流交变的一个周期中，只有 区间能用于加速电子。下面我们分析一下这个问题。如图5-22, 把磁场变化的一个周期分成四个阶段，在这四个阶段中磁场B的方向和变化趋势各不相同，因而起的涡旋电场的方向也不相同，如图中所示。可以看出，在电子枪如图5 -21所示的情况下，为使电子得到加速，涡旋电场应是顺时针方向，即磁场的第一个或第四个 周期可以用来加速电子；其次，为使电子不断加速，必须维持电子沿圆形轨道运动，电子受磁场的洛伦兹力应指向圆心。可以看出，只有第一或第二个 周期的区间才能做到。统观考虑，只有在磁场变化的第一个 周期的区间内，电子才能在涡旋电场的作用下不断加速。因此，连续将电子注入，在每第一个 周期末，利用特殊的装置将电子束引离轨道射在靶上，即可进行试验。电子感应加速器的另一个基本问题是如何使电子维持在恒定滴轨道上加速，这对磁场的径向分布有一定的要求。设电子轨道处的磁场为 ，电子作圆形轨道运动时所受的向心力为洛伦兹力，因此，
，
得 。
式(5.12)表明，只要电子动量随磁感应强度成比例地增加，就
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