电磁感应是电动机效应的逆过程:不是电流产生运动,而是运动产生电流。每当穿过线圈的磁场发生变化,线圈两端就感应出电压,若电路闭合,就有电流流动。
发电机让这一过程持续发生。线圈在磁铁两极之间旋转,穿过它的磁场量随每一转而增减。这种不断的变化感应出交流电压,线圈转得越快或磁铁越强,感应出的电压就越大。
这就是发电厂发电的方式,不论线圈是由蒸气、大坝流水,还是风来带动。自行车发电机点亮车灯,是同样的原理在小尺度上的应用。
在 SPM 中,你应把感应解释为穿过线圈的磁场变化,并把感应电压与转速和磁场强度联系起来。
常见误解
- 只要把线圈拿到磁铁附近就会感应出电流 -> 必须有穿过线圈的磁场变化;静止线圈处于恒定磁场中不会感应出任何东西。
- 发电机凭空造出电荷 -> 它把旋转线圈的机械能转化为电能;电荷并未被创造。
- 感应和电动机效应互不相关 -> 它们是相反的过程:电动机把电流变成运动,发电机把运动变成电流。
背后的物理
发电机依靠电磁感应。只要穿过线圈的磁场发生变化,线圈两端就会出现一个电压,称为感应电动势(e.m.f.),单位为伏特(V)。
若电路闭合,这电动势就驱动出以安培(A)为单位的电流。
穿过线圈的磁场量就是磁通量,磁通量变化得越快,感应电动势越大。在交流发电机里,线圈在磁极之间匀速旋转,每转半圈穿过它的磁通量便升降一次,于是产生交流电动势。
有四个因素能提高感应电动势:线圈匝数更多、线圈转得更快、磁铁更强(磁通密度更大,单位特斯拉,T),以及线圈面积更大。感应电流的方向总是阻碍产生它的那个变化,这就是楞次定律,它是能量守恒的一种表述。
在日常生活中看它
你所用的电几乎都始于一个旋转的线圈。在发电站,线圈由高压蒸汽带动;在水电站的大坝,则由落下的水带动。
每一种情况里都有某种力量迫使线圈在磁场中转动,其余的交给感应完成,把运动转化为电能。
一个清晰的小例子是自行车发电机。车轮转动时带动一块小磁铁在线圈旁旋转,变化的磁场感应出电流点亮车灯。
蹬得越快,灯越亮,因为转得越快意味着磁通量变化越快、感应电动势越大。
同样的原理出现在风力发电机中,流动的空气吹动叶片;也出现在给某些手摇电筒充电的小发电机里。只要导体与磁场彼此相对运动,就能感应出电压。
它在 SPM 中如何出现
在试卷二中,你常被要求解释线圈在磁场中转动时如何感应出电动势,并说明影响感应电流大小的因素。这些因素要你自己记住,因为没有公式表。
题目可能要你描述交流发电机如何产生交流输出,或画出输出随时间变化的波形。也可能要你运用楞次定律判断感应电流的方向,并解释为什么感应电流会阻碍运动。
这个概念与电动机效应和变压器相邻,所以要准备好区分发电机(运动产生电流)与电动机(电流产生运动),并把感应与电的产生和输送联系起来。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)