法拉第电磁感应定律

                     

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预备知识 1 磁通量

1. 电磁感应定律的积分形式

   我们在高中物理学过,闭合线圈产生的感生电动势 等于线圈内磁通量随时间的变化率。方向由右手定则决定。即

\begin{equation} \varepsilon = - \frac{\mathrm{d}{\Phi}}{\mathrm{d}{t}} = - \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}{t}} \int \boldsymbol{\mathbf{B}} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{a}} } = - \int \frac{\partial \boldsymbol{\mathbf{B}} }{\partial t} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{a}} } ~. \end{equation}
这里的 $ \boldsymbol{\mathbf{a}} $ 表示面积,积分的曲面是以线圈为边界的任意曲面。另一方面,感生电动势是由感生电场产生的。
\begin{equation} \varepsilon = \oint \boldsymbol{\mathbf{E}} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{r}} } ~. \end{equation}
这里的路径积分是沿着线圈进行的。规定线圈正方向以后,式 1 中曲面的正方向由右手定则决定。

   根据麦克斯韦方程组,电场产生的原因有两种,一种是电荷产生电场(电场的高斯定律),另一种是变化的磁场产生电场(法拉第电磁感应)。前者在式 2 中的环路积分为零,对电动势没有贡献。所以式 2 中的 $ \boldsymbol{\mathbf{E}} $ 既可以只包含感生电场,也可以是总电场。我们一般理解为总电场。

   对比上面两式,得

\begin{equation} \oint \boldsymbol{\mathbf{E}} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{r}} } = - \int \frac{\partial \boldsymbol{\mathbf{B}} }{\partial t} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{a}} } ~. \end{equation}
如果我们假设感生电场只与电场的分布和变化率有关,则这个公式对空间中任何假想中的回路都成立,而不需要有真正的线圈存在。注意上式中的磁场是空间中的所有磁场。

2. 电磁感应定律的微分形式

预备知识 2 斯托克斯定理

   对电场项应用斯托克斯定理

\begin{equation} \oint \boldsymbol{\mathbf{E}} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{r}} } = \int \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\times} \boldsymbol{\mathbf{E}} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{a}} } ~. \end{equation}
代回积分方程式 3 ,得
\begin{equation} \int \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\times} \boldsymbol{\mathbf{E}} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{a}} } = - \int \frac{\partial \boldsymbol{\mathbf{B}} }{\partial t} \boldsymbol\cdot \,\mathrm{d}{ \boldsymbol{\mathbf{a}} } ~. \end{equation}

   由于该公式对于所有回路均成立,所以

\begin{equation} \boldsymbol{\nabla}\boldsymbol{\times} \boldsymbol{\mathbf{E}} = - \frac{\partial \boldsymbol{\mathbf{B}} }{\partial t} ~. \end{equation}

3. 楞次定律

   由电磁感应定律可以得出楞次定律(Lenz's law)。它能够确定由电磁感应产生的电动势的方向,即感应电流产生的磁场总是与外磁场变化的方向相反。


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