感应电动势的概念

创建于 2024-12-02 / 89
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根据电磁感应原理,当连接到导体或线圈的磁通量发生变化时,导体或线圈中就会感应出 EMF。在实践中,使用以下两种方法来改变磁通量。

方法 1 − 导体在静止磁场中移动

我们可以在静止磁场中移动导体或线圈,这样连接到导体或线圈的磁通量就会发生变化。因此,导体中就会感应出 EMF。这种感应 EMF 被称为动态感应 EMF。之所以这样称呼,是因为运动中的导体中会产生 EMF。动态感应 EMF 的例子是交流和直流发电机中产生的 EMF。

方法 2 −静止导体置于变化的磁场中

当静止导体或线圈置于移动或变化的磁场中时,导体或线圈中会产生 EMF。以这种方式产生的 EMF 称为静态感应 EMF。之所以这样称呼,是因为 EMF 是在静止的导体中产生的。变压器中感应出的 EMF 是静态感应 EMF 的一个例子。

因此,从讨论中可以清楚地看出,感应 EMF 可以分为两大类,即:

  • 动态感应 EMF

  • 静态感应 EMF

动态感应 EMF

如上一节所述,动态感应 EMF是在静止磁场中的移动导体或线圈中感应出的 EMF。动态感应 EMF 的表达式可推导出如下 −

感应 EMF

考虑一个长度为 l 米的单个导体,位于磁通密度为 B Wb/m2 的均匀磁场中,如图 1 所示。该导体以 v m/s 的速度相对于磁场以直角移动。

现在,如果导体在 dt 秒的时间内移动一小段距离 dx,则导体扫过的面积为,

$$mathrm{mathit{A:=:l imes dx:}mathrm{m^{mathrm{2}}}}$$

因此,导体切割的磁通量为,

$$mathrm{mathit{dphi }:=:mathrm{Flux:density imes Area: swept}}$$

$$mathrm{Rightarrow mathit{dphi }:=:mathit{B imes l imes dx}:mathrm{Wb}}$$

根据法拉第电磁感应定律,导体中感应出的 EMF 为:

$$mathrm{mathit{e}:=:mathit{N}ffrac{mathit{dphi }}{mathit{dt}}:=:mathit{N}ffrac{mathit{Bldx}}{mathit{dt}}}$$

由于我们只取单个导体,因此 N = 1。

$$mathrm{mathit{e}:=:mathit{Blv}:mathrm{volts}cdot cdot cdot (1)}$$

其中,v = dx/dt,导体在磁场中的速度。

如果导体在磁场中发生角运动,并且导体相对于磁场以角度 θ 移动,如图 2 所示。那么,导体穿过磁场的速度等于"vsinθ"。因此,感应 EMF 定义为,

$$mathrm{mathit{e}:=:mathit{B:l:v}:mathrm{sinmathit{ heta }}:mathrm{volts}cdot cdot cdot (2)}$$

静态感应 EMF

当将静止导体放置在变化的磁场中时,导体中感应出的 EMF 称为静态感应 EMF。静态感应 EMF 进一步分为以下两种类型 −

  • 自感 EMF

  • 互感 EMF

自感 EMF

当由于自身磁通链变化而在导体或线圈中感应出 EMF 时,它被称为自感 EMF

自感 EMF

考虑一个 N 匝线圈,如图 3 所示。流过线圈的电流在线圈中建立磁场。如果线圈中的电流发生变化,则链接线圈的磁通量也会发生变化。根据法拉第电磁感应定律,这种变化的磁场会在线圈中感应出 EMF。这种 EMF 称为自感 EMF,其大小由下式给出:

$$mathrm{mathit{e}:=:mathit{N}ffrac{mathit{dphi }}{mathit{dt}}}$$

互感 EMF

由于相邻线圈的磁场变化而在线圈中感应出的 EMF 称为互感 EMF

互感 EMF

考虑两个彼此相邻放置的线圈 XY,如图 4 所示。这里,线圈 X 产生的磁通量的一部分与线圈 Y 相连。线圈 X 的磁通量是线圈 XY 共同的,被称为互通磁通 ($mathit{phi _{m}}$)

如果线圈 X 中的电流发生变化,则互通磁通也会发生变化,因此两个线圈中都会产生 EMF。其中,线圈 X 中感应出的 EMF 称为自感 EMF,线圈 Y 中感应出的 EMF 称为互感 EMF

根据法拉第定律,互感 EMF 的大小由下式给出:

$$mathrm{mathit{e_{m}}:=:mathit{N_{Y}}ffrac{mathit{dphi _{m}}}{mathit{dt}}}$$

其中,$mathit{N_{Y}}$ 为线圈 Y 的匝数,$ffrac{mathit{dphi _{m}}}{mathit{dt}}$ 为互感磁通的变化率。



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