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电磁学

电磁感应、法拉第–楞次定律

观察穿过线圈的磁通量随磁场强度和转角的变化。通过感应电动势的符号和大小验证 ΦB=BAcos⁡θ\Phi_B = BA\cos\theta 与法拉第–楞次定律 E=−N dΦB/dt\mathcal{E} = -N\,d\Phi_B/dt。

高中

器材

  • 均匀磁场中的虚拟线圈，画布3D投影
  • 磁场强度滑块
  • 线圈转角/转速滑块
  • 感应电动势图与暂停按钮

实验步骤

  1. 通过转角改变磁通量

    固定磁场，拖动转角滑块旋转线圈：线圈面垂直磁场时磁通量最大，平行时为零。读取图上数值并与 ΦB=BAcos⁡θ\Phi_B = BA\cos\theta 对照。

  2. 检验电动势的符号

    增大再减小磁场滑块，观察 E\mathcal{E} 符号翻转：感应电流反抗磁通量的变化——这就是楞次法则，即 E=−N dΦB/dt\mathcal{E} = -N\,d\Phi_B/dt 中的负号。按暂停可准确读出变号时刻。

  3. 改变磁通量变化率

    增大转角/速度滑块使磁通量在相同幅度内变化更快：电动势幅度应与 ∣dΦB/dt∣|d\Phi_B/dt| 成正比。拖动前先预测 E(t)\mathcal{E}(t) 曲线会变宽还是变高，再对照。

模拟

实验历史

1831年8月29日，法拉第发现电磁感应：绕在铁环上的副线圈只在原线圈通断的瞬间——即磁通量变化期间——出现电流。奥尔巴尼的约瑟夫·亨利几乎同时发现同一现象但发表较晚。 1834年楞次提出感应电流方向法则；1845–1846年诺伊曼给出定量形式 E=−dΦB/dt\mathcal{E} = -d\Phi_B/dt。麦克斯韦于1861–1865年将感应纳入场方程组。今天每台发电机和变压器都基于这一原理。

相关物理学家

迈克尔·法拉第Heinrich LenzJames Clerk Maxwell约瑟夫·亨利

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