OCR A-Level 物理/場、粒子與物理前沿/電磁感應

為了理解電磁感應，有必要理解線圈的磁通鏈的概念。磁通鏈可以透過磁通量*線圈匝數來計算，根據法拉第電磁感應定律，變化的磁通鏈會導致線圈感應出電動勢，該電動勢的大小等於磁通鏈變化率。

法拉第定律和楞次定律

法拉第定律

雖然法拉第定律給出了電動勢的大小，但重要的是要記住電動勢是一個向量。

induced e.m.f $\propto$ rate of change of flux linkage.

楞次定律

因此，瞭解方向也很重要，可以透過楞次定律來計算。楞次定律指出，感應電動勢的方向將是產生一個磁場的方向，該磁場會阻礙磁通量的變化。例如，如果磁通量正在減小，則會感應出電動勢，其方向導致磁通量增加。

一個方程

將這兩個定律結合起來，可以用一個簡單的方程來表示

induced e.m.f. = - rate of change of flux linkage.

楞次定律是這個方程的負號部分。其餘部分是法拉第定律。

正如我們所知，磁通鏈，$\Phi$，是磁通量，$\phi$乘以匝數，$N$
$\Phi =N\phi =BAN$ 現在我們知道了這一切，我們可以推匯出以下結論
${\text{induced e.m.f}}={\frac {\Delta \Phi }{\Delta t}}=N{\frac {\Delta \phi }{\Delta t}}$

交流發電機

交流發電機應用上述原理來發電。在這些發電機中，一卷線圈在磁場中旋轉，改變磁場與線圈之間的角度，從而改變磁通量。根據法拉第定律，這種變化會導致感應出交流電動勢。

變壓器

變壓器

變壓器利用電磁感應原理來升壓（在升壓變壓器中）或降壓（在降壓變壓器中）。它在電力傳輸中的主要應用是將電壓大幅度提高，然後傳輸到電力線。這減少了電流（因為 P=VI 且功率是恆定的），從而提高了這種傳輸過程的效率。

變壓器由兩卷線圈組成，即初級（輸入）線圈和次級（輸出）線圈，它們纏繞在鐵芯上。兩線圈上的電壓由下式給出

${\frac {V_{s}}{V_{p}}}={\frac {n_{s}}{n_{p}}}$

V_s = 次級線圈上的電壓；V_p = 初級線圈上的電壓；n_s = 次級線圈的匝數；n_p = 初級線圈的匝數

我們透過重新排列法拉第定律得到這個方程。

$V=N{\frac {\Delta \phi }{\Delta t}}$

$NV={\frac {\Delta \phi }{\Delta t}}$

然後我們使用“n”而不是“N”，我們知道這種關係必須是恆定的，所以我們將初級和次級等效。

$n_{p}V_{p}=n_{s}V_{s}$

${\frac {n_{s}}{n_{p}}}={\frac {V_{s}}{V_{p}}}$

變壓器的工作原理如下：

• 交流電透過初級線圈。
• 初級線圈中的交流電導致初級線圈產生交變方向的磁場（因為磁場方向和電流方向由左手定則決定）。
• 鐵芯確保磁場在鐵芯內部顯著增強。這確保了儘可能多的初級線圈產生的變化磁通量與次級線圈耦合。
• 次級線圈中的變化磁通量在次級線圈兩端感應出電動勢。