电磁感应
Electromagnetic Induction
当直流电流通过一根长直导体时，导体周围会产生磁化力和静态磁场。
电磁感应利用电与磁之间的关系：当电流通过单根导线时，会在其周围产生磁场；如果将导线绕成线圈，磁场强度会大大增强，在线圈周围形成类似条形磁铁的静态磁场，并产生明显的北极和南极。
空心电磁线圈
Air-core Hollow Coil
如图所示，线圈周围产生的磁通量与流经线圈匝数的电流成正比。如果在同一线圈上绕入多层导线，且各匝中流过相同的电流，静态磁场的强度会进一步增强。
因此，线圈的磁场强度由线圈的“安匝数”决定。匝数越多、每匝中的电流越大，线圈周围的静态磁场就越强。
那么，如果我们将这一思路反过来操作：断开线圈的电流来源，将一根条形磁铁置于线圈的空心处；当条形磁铁“进入”或“退出”线圈时，磁通量的变化会在线圈中诱导出电流。
同样地，如果让磁铁保持静止，而来回移动线圈，线圈中也会感应出电流。通过移动导线或改变磁场，我们都能够在导线中产生电动势（emf）和电流，这一过程称为电磁感应，是变压器、发电机和电动机工作的基本原理。
电磁感应最早由迈克尔·法拉第（Michael Faraday）于1830年代发现。法拉第注意到，当他将永久磁铁在单匝导线或线圈中“进—出”移动时，会在线圈中感应出电动势（即电压），从而产生电流。
法拉第发现了一种仅依靠磁场作用而无需电池即可在电路中产生电流的方法，由此建立了连接电与磁的重要定律——法拉第电磁感应定律Faraday’s Law of Electromagnetic Induction。那么，这一定律究竟是如何工作的呢？
如下面示意图所示，当磁铁“靠近”线圈移动时，电流表（灵敏的中心归零移动线圈电流表）的指针会向一个方向偏转；当磁铁停止移动并相对于线圈保持静止时，指针又会回到零位，因为磁场未发生变化。
同样地，当磁铁“远离”线圈移动时，电流表的指针会向与靠近时相反的方向偏转，表明感应电动势的极性发生了改变。通过使磁铁来回运动，电流表的指针就会根据磁铁运动的方向向左或向右（正或负）偏转。
Electromagnetic Induction by a Moving Magnet
同样地，如果此时磁铁保持静止，仅移动线圈向磁铁靠近或远离，电流表的指针也会向任一方向偏转。由此可见，将线圈或导线环在磁场中移动时，线圈中会感应出电压，其感应电压的大小与移动的速度（或速率）成正比。
由此我们知道，磁场变化越快，线圈中感应出的电动势（emf）或电压就越大。因此，为使法拉第定律成立，导体与磁场之间必须存在“相对运动”——线圈、磁场或两者都可移动。
法拉第电磁感应定律
Faraday’s Law of Induction
根据上述描述，可断言电压与变化的磁场之间存在如下关系：
只要导体与磁场之间存在相对运动，就会在回路中产生感应电压，而且该电压的大小与磁通量变化的速率成正比。
换言之，电磁感应便是利用磁场产生电压的过程；在闭合回路中，还会产生电流。
那么，仅凭磁场可以在线圈中感应出多少电压呢？这由以下三个因素决定：
线圈匝数的增加 增加线圈中的导线匝数，会使更多的导体切割磁通。因此，感应出的电动势等于所有线圈匝的电动势之和——若线圈有 20 匝，则产生的总感应电动势约为单根导线的 20 倍。
线圈与磁铁之间相对运动速度的加快 在线圈和相同磁场中，以更高速度移动线圈时，导线切割磁力线的频率更高，从而产生更多的感应电动势。
磁场强度的增强 若线圈以相同速度穿过更强的磁场，由于切割的磁力线更多，产生的感应电动势也会更大。
如果我们能够让上图中的磁铁以恒定速度和恒定距离进出线圈，那么就能持续产生正负极性交替变化的感应电压，从而获得交流电压输出——这正是发电机（如自行车发电机和汽车交流发电机）工作的基本原理。
在小型发电机（如自行车发电机）中，车轮带动小型永磁体在固定线圈内旋转；在大型发电机中，则可用直流电源将电磁铁旋转于固定线圈内，两种情况均能产生交流电流。
简单的磁感应发电机示意图
Simple Generator using Magnetic Induction
上图所示的简单直摩式发电机由一个绕中心轴旋转的永久磁铁和置于该旋转磁场旁的线圈组成。当磁铁旋转时，线圈上下方的磁场极性在北极与南极之间不断变化。根据法拉第电磁感应定律，这种磁场的旋转运动在线圈中感应出交流电动势。
感应电动势的大小与磁通密度 \beta、导体的匝数所对应的总导体长度 l（以米 \mathrm{m} 为单位）以及磁场在导体中变化的速率或速度 \nu（以米每秒 \mathrm{m/s} 为单位）成正比，其运动电动势表达式为：
若导体运动方向与磁场方向不垂直（ 90^\circ），则在上述表达式中需加入角度 \theta，输出电压将随角度增大而减小：
楞次定律
Lenz’s Law of Electromagnetic Induction
法拉第定律告诉我们，要在导体中感应出电压，可以使导体穿过磁场，或者使磁场相对于导体移动；如果该导体形成闭合回路，就会产生电流。由于这种电压是由变化的磁场通过电磁感应在导体中“感生”出来的，因此称为感应电动势。法拉第定律中的负号表示感应电流的方向（或感应电动势的极性）。
然而，磁通量的变化会在线圈中产生变化的电流，该变化电流又会产生自身的磁场。根据楞次定律，这个自感电动势会抵抗引起它变化的原因，且电流变化速率越快，所产生的反向电动势越大。由于该自感电动势的方向性，它通常被称为反电动势（back-emf）。
楞次定律指出：“感应电动势的方向总是抵抗引起它变化的原因。”换言之，感应电流总是反抗最初引起感应电流的运动或变化，这一原理在电感分析中得到了体现。
同样地，如果磁通量减小，感应电动势也会通过产生附加到原始磁通量的感应磁通来抵抗这种减小。
楞次定律是电磁感应中确定感应电流方向的基本定律之一，与能量守恒定律密切相关。能量守恒定律表明，宇宙中能量总量保持不变，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。楞次定律正是从迈克尔·法拉第的电磁感应定律中推导而来。
关于电磁感应中涡流的最后补充：当导体与磁场之间存在相对运动时，导体中会产生感应电动势。但该导体不一定是线圈的导电回路，也可能是线圈的铁芯或系统中其他金属部件（例如变压器铁芯）。系统中这些金属部件内的感应电动势会产生涡流（eddy current），使电流在其内部循环流动。
由于这些金属部件对磁通而言相当于一个闭合回路，电磁感应产生的涡流就会在它们周围或线圈铁芯及其他金属连接部件内循环。涡流不会为系统的正常功能提供任何有用功，而是通过类似负向力的作用阻碍感应电流的流动，并在线圈铁芯中产生电阻性发热和能量损耗。然而，在电磁感应电炉等应用中，涡流被用来加热和熔化铁磁性金属。
变压器中的涡流循环
Eddy Currents Circulating in a Transformer
如上图所示，变压器铁芯中变化的磁通不仅会在一次绕组和二次绕组中感应出电动势 \mathcal{E}，也会在铁芯本身感应出电动势。铁芯是良导体，因此在实心铁芯中感应出的涡流将会很大。此外，涡流按照楞次定律的要求，其方向会削弱一次线圈产生的磁通。因此，为产生给定的磁通密度 B，一次线圈所需的电流增加，使得磁滞回线沿 H 轴方向变得更“肥厚”。
涡流损耗和磁滞损耗无法完全消除，但可以大幅减少。与其使用实心铁芯作为变压器或线圈的磁性材料，不如将磁路“层压”处理。
这些层压片是用绝缘（通常涂漆）金属制成的非常薄的金属带，然后将它们叠合在一起形成实心铁芯。层压片增加了铁芯的电阻，从而增大了涡流的整体回路电阻，使得铁芯中感应涡流的功率损耗减少，这也是变压器和电机的磁性铁路都采用层压结构的原因。
电磁感应总结
电磁感应原理
导体与磁场之间的“相对运动”会在线圈中感应出电动势，且其大小与磁通量变化速率成正比。
运动电动势公式：
\mathcal{E} = -\beta\,l\,v若运动方向与磁场夹角为 \theta：
\mathcal{E} = -\beta\,l\,v\,\sin\theta
法拉第电磁感应定律
“只要导体与磁场之间存在相对运动，就会在回路中产生感应电动势，且该电动势的大小与磁通量变化率成正比。”
楞次定律
“感应电动势的方向总是抵抗引起它变化的原因。”
楞次定律保证了能量守恒：自感电动势（反电动势）总是抵抗原始磁通或电流的变化。
涡流与磁滞损耗
磁滞损耗：铁芯材料在循环磁化时，由于磁滞回线沿 H 轴的“肥厚”面积，会耗散能量。
涡流损耗：铁芯中因感应电动势产生的环流电流——涡流，会产生电阻性发热和能量损耗。
铁芯层压技术
用绝缘（如涂漆）薄片将铁芯层层叠合，增大电阻，阻碍涡流形成，从而大幅减少涡流损耗。
层压铁芯同时降低了磁滞损耗，使变压器和电机的运行更高效。
附录
单词表
声明
本文翻译自 electronics-tutorials
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