1.6.4　电磁感应

电流可以产生磁场，反过来也可以利用磁场产生电流。当闭合电路的部分导体在磁场中切割磁感线，或者穿过闭合电路的磁感线数量（又称磁通量）发生变化时，闭合电路中就有电流产生，这种现象称为电磁感应现象。

（1）导体在切割磁感线时会产生电流

当导体切割磁场磁感线时，导体会产生电动势，如果将该导体与其它线路接成闭合电路，电路中就有电流流过。如图1-40所示，将与电流表连接在一起的导体放在磁场中，当导体在磁场中作切割磁感线运动时，导体中马上有电动势产生，此时的导体就相当于一个电池，它会输出电流，电流表表针摆动。

导体产生的电动势方向（也即导体产生的电流方向）与导体的运动方向、磁场的方向有关。导体产生的电动势的方向可用右手定则判断。具体如图1-39所示，伸开右手，让拇指和四指垂直并且在同一平面内，将右手掌放入磁场中，让磁感线垂直穿过掌心，拇指指向导体运动的方向，四指所指的方向就是导体产生电动势的方向，也是导体产生电流的方向。

在图1-40中，如果导体静止不动，而让磁场横向运动，导体也会切割磁感线，导体中也有电动势产生。在这种情况下判断导体电动势的方向时，应将磁场运动的相反方向看作导体的运动方向，如磁场往左运动可以看成是磁场不动而导体往右运动，再用右手定则来分析导体产生的电动势方向。

导体在磁场中切割磁感线时会产生电动势，其产生的电动势大小可用下面公式计算：

E = BLVsinα

式中，E为电动势，单位为伏特（V）；B为磁感应强度，单位为特斯拉（T）；L为导体的长度，单位为米（m）；V为导体在磁场中的运动速度，单位为米每秒（m/s）；α为导体运动方向与磁场方向的夹角，导体运动方向与磁场方向垂直时，α=90°。

（2）闭合电路在磁通量变化时会产生电流

除了导体切割磁感线会产生电动势外，闭合电路的磁通量发生变化时也能产生电动势。

为了说明闭合电路磁通量发生变化能产生电动势，先按如图1-41所示做一个实验，将线圈与一个电流表连接起来，电流表表针不动，然后拿一块磁铁靠近线圈。当磁铁插入线圈时，电流表表针会摆动，说明线圈有电流产生；当磁铁插在线圈中不动时，表针不动，说明线圈无电流产生；当突然拔出磁铁时，表针又发生摆动，说明线圈又有电流产生，但表针此刻的摆动方向与插入磁铁时的摆动方向相反。

在该实验中，当插入磁铁时，穿过线圈的磁感线数量增多（即磁通量增多）；当拔出磁铁时，穿过线圈的磁感线数量减少（即磁通量减少），线圈中都有电流产生；而磁铁在线圈中不动时，穿过线圈的磁感线数量不变（即磁通量不变），线圈中无电流产生。因此可以得出这样的结论：当穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈会产生电动势；当线圈与其他元器件组成闭合电路时，线圈中就有电流产生。

线圈产生的电动势方向与穿过线圈的磁通量有关，它们之间的关系可用楞次定律来判断。楞次定律指出：闭合线圈的感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。具体来说，当穿过线圈的磁通量增多时，线圈产生的感应电流所形成的磁场要阻碍磁通量增多；当穿过线圈的磁通量减少时，线圈产生的感应电流所形成的磁场要阻碍磁通量减少。

利用楞次定律可判断线圈产生的感应电流方向。具体是：先判断穿过线圈的磁通量方向及变化趋势（即是增大还是减小），再根据感应电流的磁场总是阻碍磁通量变化的原则，来确定感应电流的方向。下面以图1-42所示两种情况来进一步说明。

在图1-42（a）中，穿过线圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有增多的趋势。根据感应电流产生的磁场总是阻碍磁通量变化的原则，确定线圈感应电流产生的磁场应是上N下S，因为只有线圈产生上N下S的磁场才能阻碍下N上S并且增多的磁通量（可理解为同性相斥，线圈感应电流产生的上N下S的磁场阻碍下N上S的磁铁靠近），确定线圈产生的磁场方向后，再用右手螺旋定则不难判断出线圈的感应电流方向是由下往上。

在图1-42（b）中，穿过线圈的磁通方向是下N上S，并且磁通量具有减少的趋势。根据感应电流产生的磁场总是阻碍磁通量变化的原则，确定线圈产生的磁场应是上S下N，因为只有线圈产生上S下N的磁场才能阻碍下N上S并且减少的磁通量（可理解为异性相吸，线圈产生的上S下N的磁场吸引下N上S的磁铁，阻碍其离开），确定线圈产生的磁场方向后，再用右手螺旋定则不难判断出线圈的感应电流方向是由上往下。

线圈产生的感应电动势大小可用法拉第电磁感应定律来计算。法拉第电磁感应定律指出：闭合线圈产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比，其数学表达式为：

E = N

式中，E为电动势；N为线圈的匝数；ΔΦ表示磁通量的变化量；Δt表示磁通量变化ΔΦ所需的时间。从上述式子可以看出，与磁铁缓慢靠近或远离线圈相比，磁铁快速靠近或远离线圈时，磁通量ΔΦ变化相同，但变化所需的时间Δt更短，故线圈产生的电动势会更高。