法拉第发现的最重要的特征之一,不是在一运动线圈中存在电动势——那是可以用磁力qv×B来理解的——而是在一个线圈中变化的电流会在另一个线圈中产生电动势。而十分令人惊奇的是,在第二个线圈中所感生的电动势其大小也由同样的“通量法则”给出:电动势等于穿过线圈的磁通量的变化率。假设我们有两个线圈,各绕在彼此分开的一捆铁片上(这些铁片起着使磁场增强的作用),如图16-5所示。现在把其中一个线圈a连接到一交流发电机上。那不断变化的电流产生一个不断变化的磁场。这变化的磁场就在第二个线圈b中产生一个交变电动势。这一电动势能够,例如,产生足够大的能量使一个灯泡发亮。
图16-5 各围绕在一捆铁片外面的两个线圈,能让一部发电机在没有直接连接的情况下使一个灯泡发亮
线圈b中的电动势的频率当然与原来发电机的频率相同。但线圈b中的电流则可能大于或小于线圈a中的电流。线圈b中的电流取决于其中的感应电动势以及线路中其余部分的电阻和电感。这电动势可能比发电机的小,例如,若通量的变化较少。要不然,线圈b中的电动势可以通过增加围绕其的线圈匝数而比发电机中的大许多,因为在一给定磁场中此时穿过线圈的通量增加了(或者,若你喜欢用另一种方式来看它,则由于每一匝的电动势彼此相同,而总电动势等于分开的各匝的电动势之和,所以如有许多匝串联起来就会产生一个较大的电动势)。
两个线圈的这种组合——通常用配置的铁片来引导磁场——称为变压器 。它能把一个电动势(也叫“电压”)“变换成另一个电动势”。
在单个线圈中也会有感应效应发生。例如在图16-5的那种装置中,有一个变化的磁通量不但穿过线圈b以使灯泡发亮,而且也穿过线圈a。在线圈a中变化着的电流会在它自己内部产生一个变化着的磁场,因而这个场的通量也就不断变化,结果在线圈a中有一个自感 电动势。当任何电流正在建立磁场时——或更普遍地说,当它的场以任何方式变化时——便有一个电动势作用于该电流上。这个效应称为自感 。
当我们在上面给出“通量法则”、即电动势等于磁通匝连数的变化率时,还未确定电动势的方向。有一个简单法则,叫楞次法则,就是为了判断电动势指向的:电动势企图反抗 任何磁通变化。也就是说,感生电动势的方向总是这样:如果电流沿该电动势的方向流动,则它总会产生一个B通量,该通量抗拒产生该电动势的B发生变化。楞次法则可以用来找出图16-3 [1] 中那部发电机的电动势方向,或图中变压器绕组内电动势的方向。
特别是,如果在单一线圈(或任何导线)中存在变化的电流,则在该电路中就会有“反”电动势。在图16-5的线圈a中,这个反电动势作用于流动的电荷上以反抗磁场的变化,从而也处在反抗电流改变的方向。它力图保持电流恒定不变,当电流增加时它与电流反向,当电流减少时则与电流同向。在自感中的电流具有“惯性”,因为该感应效应力图保持电流恒定,正如机械惯性力图保持物体的速度恒定一样。
任何大型电磁铁中都会有大的自感。假设一个电池组连接于一个大型电磁铁的线圈上,如图16-6所示,则一个强磁场就被建立起来了(电流达到了一个由电池组电压和线圈中导线电阻所确定的稳恒值)。但现在假定我们试图通过打开开关而切断电池组。要是真的断开电路,电流就会迅速趋于零,而在这样做时会产生一个巨大电动势。在大多数情况下,这一电动势会大到足以在开关的断路接点间发展成一个跨越接点的电弧。这样出现的高电压也许会损害线圈中的绝缘——甚至会把你击伤,如果你正是打开开关的那个人!由于这些原因,电磁铁往往被接成像图16-6所示的那种电路。当开关打开时,电流并不做迅速变化,而是保持稳定,这是由于受线圈中的自感电动势所驱使的电流正在流经灯泡。
图16-6 电磁铁的电路连接法。灯泡允许在开关打开时仍然有电流通过,这是为了避免出现过高的电动势