電學與磁學有不少類似的特性,兩者之間亦有緊密的連繫。我們知道載電流的導線會產生磁場,那麼,推想一個逆向效應的話,可以從磁場產生電流嗎?法拉第 (M. Faraday) 曾長時間進行實驗,試圖研究並造出這推想的逆效應。在類似的實驗裝置上,終於發現了電磁感應 (electromagnetic induction) 現象。
在,當開關 S 接通,線圈 A 便產生磁場。連接了一個電流計的線圈 B,由於它跟線圈 A 也繞在同一鐵芯上,線圈 B 上會有相同大小的磁場。然而,不論線圈 A 的磁場多大,電流計皆未能讀出穩定的電流。但有趣的是,原來在開關 S 接通或斷開的瞬間,即當磁場產生或消失時,電流計是會出現短暫的偏轉!
電磁感應的基本原理在於 變化的磁場 能誘導一個電動勢,於是導線上便猶如接駁了一節電池似的,從而在一閉路上的導線會有電流通過。為進一步說明電磁感應現象,以下將分別討論兩個實驗:
這實驗先預備一組永久磁鐵造出一個固定的磁場,另把導線連接到電流計上。考慮如(a) 所示設置般,把導線垂直上下穿越磁鐵間空隙(圖中黃色箭咀,下稱情況 A),電流計會有甚麼反應嗎?
模擬了實驗的情況。當導線每一次上下穿過磁鐵間空隙時,電流計的指針均移動一下,然後回到原處,這證明了線路中有電流通過;而且對應於導線上、下的運動,指針的移動呈相反方向。這現象中電流的出現雖僅為一瞬間,由於本次實驗沒接駁電源,電流的產生顯然是跟導線在磁場中的運動有關!
【水平移動導線】如果改為如(a) 藍色箭咀所示般,讓導線於水平前後移動(情況 B);又或者如綠色箭咀般,將導線水平地左右移動(情況 C);以上兩情況中,電流計的反應會跟情況 A 有甚麼不同嗎?
若如情況 B 和 C 般移動導線,會發現以下這些情況的電流計沒有任何移動:
情況 B 情況 C
這現象證明沒有電流在情況 B 和 C 的電路中產生。
【小結】實驗結果顯示,只有當運動中的導線切過磁場,電流計才會出現移動。本實驗的磁場是固定的,原來當導線切過磁場時,也會造成感生電流。在的設置,導線垂直上下移動時,導線的運動會切過磁場;導線水平移動時,運動乃平行於磁場。所以只有在情況 A 才有電流產生。
事實上,當本設置裡的運動導線切過磁場時,在電路上便產生電動勢,稱為感生電動勢 (induced e.m.f.)。若電路為閉合電路(如本次實驗的情況),則由感生電動勢產生電流。這一類由通過切割磁場線、或導線處的磁場變化而誘發的電流稱為感生電流 (induced current)。
這實驗使用一組線圈連接到光束檢流計,設置如中所示。考慮(a) 般把磁鐵插入和拉出線圈,令兩者間有相對運動,期間檢流計有甚麼反應嗎?
模擬了實驗的情況。當磁鐵插入和拉出線圈時,檢流計的光標均移動一下,證明線路中有感生電流通過;而且對應於磁鐵的插入和拉出,光標的移動呈相反方向,證明於線路中感生電流對應於磁鐵的不同運動有不同方向。
【影響感生電動勢的因素】若把磁鐵插入和拉出的速度加快,檢流計的反應與先前的會有不同嗎?
較快速地插入和拉出磁鐵的話,檢流計的光標移動幅度是會相應增大的,表示電路中的感生電流增大。即是說,當磁鐵運動的速度增加,感生電動勢便增大,反之則減小。事實上,線圈中的感生電動勢可透過以下數種方法來增強:
【小結】本實驗顯示,感生電動勢的強度取決於線圈所感受的外磁場變化率:磁場變化率愈大,則感生電動勢亦愈強。例如在裏增加磁鐵磁場的強度、加快磁鐵進出的速度,均是提升線圈所感受的外磁場變化率的方法。以上敘述可由 法拉第電磁感應定律 (Faraday's law of electromagnetic induction) 總結:
在導體中產生的感生電動勢,跟通過這導體內的外磁場變化率,或切割磁場線的快慢成正比。