磁电感应传感器：电磁与电磁感应理论

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电磁与电磁感应理论

涡流效应：产生的原因及涡流效应的利弊与控制
从前面我们所学的课程可以得知，通过线圈回路的磁通量发生变化，线圈中就会产生感应电动势，回路中也就产生感应电流。如果…

变压器工作原理、原副边电压计算公式及变压器变压比讲解
变压器工作原理为：当变压器的原绕组施以交变电压u1时，便在原绕组中产生一个交变电流i1，这个电流在铁芯中产生交变磁…

电磁感应之：互感现象（互感电动势及互感系数）讲解
由一个线圈中电流的变化，而在另一个线圈中引起的电磁感应现象称为互感现象，所产生的电动势叫做互感电动势。如果右图所示…

电磁感应之：自感现象（自感电动势及自感系数）讲解
当通过线圈回路中的电流发生变化时，此电流在线圈回路内所产生的磁通也必然发生变化，那么，这一变化的磁通也将在线圈回路…

楞次定律讲解：确定电磁感应电动势/电流的方向
提出过“焦耳－楞次定律”的著名物理学家海因里希·楞次，在通过大量的电磁感应实验，总结出确定感应电动势（也就是感应电…

穿过线圈的磁通发生变化而产生的感应电动势
导体在磁场中作切割磁力线运动时会在导线两端产生感应电动势。把导线连接成一个闭合回路，回路中就有感应电流。在下右图所…

导线切割磁力线产生的感应电动势及公式和方向确定：右手定则
实验表明：只要导体切割磁力线，就有感应电动势产生。感应电动势方向（或感应电流方向）与磁场方向、导体运动方向都有关系…

电磁感应原理及现象
从电流的磁感应可以知道，电流能够产生磁场，磁场具有能量（磁场能），磁场对电流有作用力，由此可见，电能可以转换为磁能…

磁场对电流的作用（电磁力公式及方向确定法左手定则）讲解
实验表明，通电导体放在磁场中要受到磁场力的作用，这个力被称为电磁力。磁场的电磁力的大小与磁感应强度、导体内的电流、…

磁通量的定义以及磁通量单位和计算公式与磁通密度讲解
定义：在均匀磁场中，磁感应强度B和垂直于磁场方向的某一面积S的乘积，称为通过这个面积的磁通量，用符号“Φ”表示，因…

磁场强度：磁场强弱物理量，及磁感应强度高斯与特斯拉单位换算
反应磁场强弱的物理量称为磁感应强度（磁通密度），用大写字母B表示，其定义为：在磁场中，垂直于磁场方向的通电导体受到…

电流的磁场及磁场方向及安培右手定则讲解
在磁铁周围的空间中存在一种特殊的物质，它能表现一种力的作用，这一特殊物质就是磁场。磁场的大小强弱和方向可以用假象的…

磁电感应传感器：电磁感应

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电磁感应
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电磁感应（Electromagnetic induction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。迈克尔·法拉第是一般被认定为于1831年发现了电磁感应的人，虽然弗朗切斯科·桑特代斯基（Francesco Zantedeschi）在1829年的工作可能对此有所预见。电磁感应是指因为磁通量变化产生感应电动势的现象。电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。事实证明，电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。若闭合电路为一个n匝的线圈，则瞬时电动势又可表示为：ε=n*ΔΦ/Δt（Δt→0）。式中n为线圈匝数，ΔΦ为磁通量变化量，单位Wb（韦伯） ，Δt为发生变化所用时间，单位为s（秒）。ε 为产生的感应电动势，单位为V（伏特，简称伏）。电磁感应俗称磁生电，多应用于发电机。
中文名
电磁感应
外文名
electromagnetic induction
别    名
法拉第原理
提出者
迈克尔·法拉第
提出时间
1831年
适用领域
电磁物理学
应用学科
物理学
目录
1
基本概念
?
磁通量
?
现象
?
能量的转化
?
感应电动势
2
相关知识
3
计算公式
4
定律
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发现
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描述
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条件
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重要实验
5
科技应用
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动圈式话筒
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磁带录音机
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汽车车速表
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熔炼金属
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电动机
?
变压器
6
重要意义
电磁感应基本概念
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语音
1831年，一位叫迈克尔·法拉第的科学家发现了磁与电之间的相互联系和转化关系。只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应（Electromagnetic induction），产生的电流叫做感应电流。
百科x混知：图解电磁感应
电磁感应现象的产生条件有两点（缺一不可）。l 闭合电路。l 穿过闭合电路的磁通量发生变化。让磁通量发生变化的方法有两种，如图1所示。一种方法是让闭合电路中的导体在磁场中做切割磁感线的运动；另一种方法是让磁场在导体内运动。
图1 产生磁通量的方法
电磁感应磁通量
电磁感应
设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S。(1)定义：在匀强磁场中，磁感应强B与垂直磁场方向的面积S的乘积，叫做穿过这个面的磁通量，简称磁通。(2)定义式：Φ=BS当平面与磁场方向不垂直时：Φ=BS⊥=BScosθ（θ为平面的垂线与磁场方向的夹角）(3)物理意义垂直穿过某个面的磁感线条数表示穿过这个面的磁通量。(4)单位：在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，符号是Wb。1Wb=1T·1m2=1V·s。（5）标量性：磁通量是标量，但是有正负之分，
电磁感应现象
(1)电磁感应现象：闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动，电路中产生感应电流。
电磁灶是应用电磁感应图片
(2)感应电流：在电磁感应现象中产生的电流。(3)产生电磁感应现象的条件：①两种不同表述a．闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动b．穿过闭合电路的磁场发生变化②两种表述的比较和统一a．两种情况产生感应电流的根本原因不同闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动时，是导体中的自由电子随导体一起运动，受到的洛伦兹力的一个分力使自由电子发生定向移动形成电流，这种情况产生的电流有时称为动生电流。穿过闭合电路的磁场发生变化时，根据电磁场理论，变化的磁场周围产生电场，电场使导体中的自由电子定向移动形成电流，这种情况产生的电流称为感应电流或感生电流。b．两种表述的统一两种表述可统一为穿过闭合电路的磁通量发生变化。③产生电磁感应现象的条件不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。条件：a．闭合电路；b．一部分导体 ； c．做切割磁感线运动
电磁感应能量的转化
能的转化守恒定律是自然界普遍规律，同样也适用于电磁感应现象。
电磁感应感应电动势
(1)定义：在电磁感应现象中产生的电动势，叫做感应电动势。方向是由低电势指向高电势。(2)产生感应电动势的条件：导体在磁场中做切割磁感线运动。(3)物理意义：感应电动势是反映电磁感应现象本质的物理量。
电磁感应式
(4)方向规定：内电路中的感应电流方向，为感应电动势方向。(5)反电动势：在电动机转动时，线圈中也会产生感应电动势，这个感应电动势总要削弱电源电动势的作用，这个电动势称为反电动势。
电磁感应相关知识
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电磁感应部分涉及三个方面的知识：
电磁感应式
一是电磁感应现象的规律。电磁感应研究的是其他形式能转化为电能的特点和规律，其核心是法拉第电磁感应定律和楞次定律。
电磁感应灯
楞次定律表述为：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。即要想获得感应电流(电能)必须克服感应电流产生的安培力做功，需外界做功，将其他形式的能转化为电能。法拉第电磁感应定律是反映外界做功能力的，磁通量的变化率越大，感应电动势越大，外界做功的能力也越大。二是电路及力学知识。主要讨论电能在电路中传输、分配，并通过用电器转化成其他形式能的特点规律。在实际应用中常常用到电路的三个规律(欧姆定律、电阻定律和焦耳定律)和力学中的牛顿定律、动量定理、动量守恒定律、动能定理和能量守恒定律等概念。三是右手定则。右手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把右手放入磁场中，若磁力线垂直进入手心（当磁感线为直线时，相当于手心面向N极），大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中感应电流的方向。电磁学中，右手定则判断的主要是与力无关的方向。为了方便记忆，并与左手定则区分，可以记忆成：左力右电（即左手定则判断力的方向，右手定则判断电流的方向）。或者左力右感、左生力右通电。
电磁感应计算公式
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一、感应电动势的大小计算公式⑴E=nΔΦ/Δt（普适公式）{法拉第电磁感应定律，E：感应电动势(V)，n：感应线圈匝数，ΔΦ/Δt：磁通量的变化率}。⑵E=BLVsinA(切割磁感线运动) E=BLV中的v和L不可以和磁感线平行，但可以不和磁感线垂直，其中sinA为v或L与磁感线的夹角。L：有效长度(m)，一般用于求瞬时感应电动势，但也可求平均电动势。⑶Em=nBSω（交流发电机最大的感应电动势）{Em：感应电动势峰值}。
手持式电磁感应
⑷E=BL2ω/2（导体一端固定以ω旋转切割）{ω：角速度(rad/s)，V：速度(m/s)}。二、磁通量Φ=BS ，其中Φ：磁通量(Wb)，B：匀强磁场的磁感应强度(T)，S：正对面积(m2) 计算公式△Φ=Φ1-Φ2 ，△Φ=B△S=BLV△t。3.感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定{电源内部的电流方向：由负极流向正极}。4.自感电动势E自=nΔΦ/Δt=LΔI/Δt，其中L：自感系数(H)(线圈L有铁芯比无铁芯时要大)，ΔI：变化电流，Δt:所用时间，ΔI/Δt：自感电流变化率(变化的快慢)。△特别注意 ：Φ， △Φ ，△Φ/△t无必然联系，E与电阻无关 E=n△Φ/△t 。 电动势的单位是伏V ，磁通量的单位是韦伯Wb ，时间单位是秒s。
电磁感应定律
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电磁感应发现
迈克尔·法拉第
1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。1831年8月，M.法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈 ，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为 5 类 ：变化的电流 ， 变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。1862年，英国物理学家麦克斯韦发表了论文“论物理力线”，引出位移电流的概念，指出变化的电场也能产生磁场。1864年，麦克斯韦在论文“电磁场的动力学理论”中，运用场论观点演绎了系统的电磁理论并预见了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦在《电磁学通论》一书中全面地总结了19世纪中叶之前库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等人的系列发现和实验结果，通过科学的假设和合理的逻辑思维，第一次完整地建立了电场理论体系，将电场理论用简洁、对称、美观的数学形式表示出来，后来经赫兹等人整理成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。1888年，德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。
[1]
法拉第演示电磁感应
后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。法拉第定律最初是一条基于观察的实验定律。后来被正式化，其偏导数的限制版本，跟其他的电磁学定律一块被列麦克斯韦方程组的现代亥维赛版本。法拉第电磁感应定律是基于法拉第于1831年所作的实验。这个效应被约瑟夫·亨利大约同时发现，但法拉第的发表时间较早。见·麦克斯韦讨论电动势的原著。于1834年由俄国科学家海因里希·楞次发现的楞次定律，提供了感应电动势的方向，及生成感应电动势的电流方向。
电磁感应描述
电磁感应定律
因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部份导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应。闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流。这种现象叫电磁感应现象。产生的电流称为感应电流。这是初中物理课本为便于学生理解所定义的电磁感应现象，不能全面概括电磁感现象：闭合线圈面积不变，改变磁场强度，磁通量也会改变，也会发生电磁感应现象。所以准确的定义如下：因磁通量变化产生感应电动势的现象。
[2]
电磁感应条件
1.电路是闭合且流通的。
电磁感应
2.穿过闭合电路的磁通量发生变化。3.电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动（切割磁感线运动就是为了保证闭合电路的磁通量发生改变）(只能部分切割，全部切割无效)(如果缺少一个条件，就不会有感应电流产生).。4.感应电流产生的微观解释：电路的一部分在做切割磁感线运动时，相当于电路的一部分内的自由电子在磁场中作不沿磁感线方向的运动，故自由电子会受洛伦兹力的作用在导体内定向移动，若电路的一部分处在闭合回路中就会形成感应电流，若不是闭合回路，两端就会积聚电荷产生感应电动势。5.电磁感应现象中之所以强调闭合电路的“一部分导体”，是因为当整个闭合电路切割磁感线时，左右两边产生的感应电流方向分别为逆时针和顺时针，对于整个电路来讲电流抵消了。6.电磁感应中的能量关系：电磁感应是一个能量转换过程，例如可以将重力势能，动能等转化为电能，热能等。
电磁感应重要实验
电磁感应
在一个空心纸筒上绕上一组和电流计联接的导体线圈，当磁棒插进线圈的过程中，电流计的指针发生了偏转，而在磁棒从线圈内抽出的过程中，电流计的指针则发生反方向的偏转，磁棒插进或抽出线圈的速度越快，电流计偏转的角度越大.但是当磁棒不动时，电流计的指针不会偏转。对于线圈来说，运动的磁棒意味着它周围的磁场发生了变化，从而使线圈感生出电流.法拉第终于实现了他多年的梦想——用磁的运动产生电。奥斯特和法拉第的发现，深刻地揭示了一组极其美妙的物理对称性：运动的电产生磁，运动的磁产生电。不仅磁棒与线圈的相对运动可以使线圈出现感应电流，一个线圈中的电流发生了变化，也可以使另一个线圈出现感应电流。将线圈通过开关k与电源连接起来，在开关k合上或断开的过程中，线圈2就会出现感应电流. 如果将与线圈1连接的直流电源改成交变电源，即给线圈1提供交变电流，也引起线圈出现感应电流. 这同样是因为，线圈1的电流变化导致线圈2周围的磁场发生了变化。
电磁感应科技应用
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电磁感应动圈式话筒
图2 话筒的工作原理-----电磁感应
在剧场里，为了使观众能听清演员的声音，常常需要把声音放大，放大声音的装置主要包括话筒，扩音器和扬声器三部分。话筒是把声音转变为电信号的装置。图2是动圈式话筒构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。
电磁感应磁带录音机
磁带录音机主要由机内话筒、磁带、录放磁头、放大电路、扬声器、传动机构等部分组成，是录音机的录、放原理示意图。录音时，声音使话筒中产生随声音而变化的感应电流——音频电流，音频电流经放大电路放大后，进入录音磁头的线圈中，在磁头的缝隙处产生随音频电流变化的磁场。磁带紧贴着磁头缝隙移动，磁带上的磁粉层被磁化，在磁带上就记录下声音的磁信号。放音是录音的逆过程，放音时，磁带紧贴着放音磁头的缝隙通过，磁带上变化的磁场使放音磁头线圈中产生感应电流，感应电流的变化跟记录下的磁信号相同，所以线圈中产生的是音频电流，这个电流经放大电路放大后，送到扬声器，扬声器把音频电流还原成声音。在录音机里，录、放两种功能是合用一个磁头完成的，录音时磁头与话筒相连；放音时磁头与扬声器相连。
电磁感应汽车车速表
汽车车速表------电磁感应
汽车驾驶室内的车速表是指示汽车行驶速度的仪表。它是利用电磁感应原理，使表盘上指针的摆角与汽车的行驶速度成正比。车速表主要由驱动轴、磁铁、速度盘，弹簧游丝、指针轴、指针组成。其中永久磁铁与驱动轴相连。在表壳上装有刻度为公里/小时的表盘。永久磁铁的磁感线方向如图1所示。其中一部分磁感线将通过速度盘，磁感线在速度盘上的分布是不均匀的，越接近磁极的地方磁感线数目越多。当驱动轴带动永久磁铁转动时，则通过速度盘上各部分的磁感线将依次变化，顺着磁铁转动的前方，磁感线的数目逐渐增加，而后方则逐渐减少。由法拉第电磁感应原理知道，通过导体的磁感线数目发生变化时，在导体内部会产生感应电流。又由楞次定律知道，感应电流也要产生磁场，其磁感线的方向是阻碍（非阻止）原来磁场的变化。用楞次定律判断出，顺着磁铁转动的前方，感应电流产生的磁感线与磁铁产生的磁感线方向相反，因此它们之间互相排斥；反之后方感应电流产生的磁感线方向与磁铁产生的磁感线方向相同，因此它们之间相互吸引。由于这种吸引作用，速度盘被磁铁带着转动，同时轴及指针也随之一起转动。为了使指针能根据不同车速停留在不同位置上，在指针轴上装有弹簧游丝，游丝的另一端固定在铁壳的架上。当速度盘转过一定角度时，游丝被扭转产生相反的力矩，当它与永久磁铁带动速度盘的力矩相等时，则速度盘停留在那个位置而处于平衡状态。这时，指针轴上的指针便指示出相应的车速数值。永久磁铁转动的速度和汽车行驶速度成正比。当汽车行驶速度增大时，在速度盘中感应的电流及相应的带动速度盘转动的力矩将按比例地增加，使指针转过更大的角度，因此车速不同指针指出的车速值也相应不同。当汽车停止行驶时，磁铁停转，弹簧游丝使指针轴复位，从而使指针指在“0”处。
电磁感应熔炼金属
利用涡流加热和熔炼金属------电磁感应
交流的磁场在金属内感应的涡流能产生热效应，这种加热方法与用燃料加热相比有很多优点，除课本所述外还有：加热效率高，达到50～90%；加热速度快；用不同频率的交流可得到不同的加热深度，这是因为涡流在金属内不是均匀分布的，越靠近金属表面层电流越强，频率越高这种现象越显著，称为“趋肤效应”。工业上把感应加热依频率分为四种：工频（50赫）；中频（0.5～8千赫）；超音频（20～60千赫）；高频（60～600千赫）。工频交流直接由配电变压器提供；中频交变电流由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生；超音频和高频交流由大功率电子管振荡器产生。无心式感应熔炉的用途是熔炼铸铁、钢、合金钢和铜、铝等有色金属。所用交流的频率要随坩锅能容纳的金属质量多少来选择，以取得最好的效果。例如：5千克的用20千赫，100千克的用2.5千赫，5吨的用1千赫以至50千赫。冶炼锅内装入被冶炼的金属，让高频交变电流通过线圈，被冶炼的金属中就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化这种冶炼方法速度快，温度容易控制，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，适于冶炼特种合金和特种钢。感应加热法也广泛用于钢件的热处理，如淬火、回火、表面渗碳等，例如齿轮、轴等只需要将表面淬火提高硬度、增加耐磨性，可以把它放入通有高频交流的空心线圈中，表面层在几秒钟内就可上升到淬火需要的高温，颜色通红，而其内部温度升高很少，然后用水或其他淬火剂迅速冷却就可以了，其他的热处理工艺，可根据需要的加热深度选用中频或工频等。
电磁感应电动机
直流电动机
发电机可以“反过来”运作，成为电动机。例如，用法拉第碟片这例子，设一直流电流由电压驱动，通过导电轴臂。然后由洛伦兹力定律可知，行进中的电荷受到磁场B的力，而这股力会按佛来明左手定则订下的方向来转动碟片。在没有不可逆效应（如摩擦或焦耳热）的情况下，碟片的转动速率必需使得dΦB/dt等于驱动电流的电压。
电磁感应变压器
变压器
法拉第定律所预测的电动势，同时也是变压器的运作原理。当线圈中的电流转变时，转变中的电流生成一转变中的磁场。在磁场作用范围中的第二条电线，会感受到磁场的转变，于是自身的耦合磁通量也会转变（dΦB/dt）。因此，第二个线圈内会有电动势，这电动势被称为感应电动势或变压器电动势。如果线圈的两端是连接着一个电负载的话，电流就会流动。
电磁感应重要意义
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语音
法拉第的实验表明，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流称为感应电流。法拉第根据大量实验事实总结出了如下定律：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。感应电动势用ε表示，即ε=nΔΦ/Δt这就是法拉第电磁感应定律。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电和磁现象之间的相互联系。法拉第电磁感应定律的重要意义在于，一方面，依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。人类社会从此迈进了电气化时代。
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参考资料
1.

张成义编著,电磁场与电磁波,机械工业出版社,2017.04,第15页
2.

陈颖聪主编,大学物理　下,北京理工大学出版社,2016.01,第287-288页

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磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入的运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它直接将被测物体的机械能量转换成电信号输出，工作不需要外加电源，是一种典型的无源传感器。由于这种传感器输出功率较大，因而大大地简化了配用的二次仪表电路。
[1]
磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器， 它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；
中文名
磁电式传感器
别    名
电动式或感应式传感器
类    别
传感器
工作频带
10～1000Hz
特    性
双向转换
原    理
电磁感应
目录
1
原理结构
2
工作原理
3
测量电路
4
设计原则
5
分类
?
霍尔式
?
应用
6
传递矩阵
7
磁电应用
磁电式传感器原理结构
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利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。变磁通式结构(a)旋转型（变磁））； (b)平移型（变气隙）其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。
图1 变磁式结构
磁电式传感器工作原理
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根据电磁感应定律, 当w匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系: E=-w(dΦ/dt)
磁电式传感器测量电路
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磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。
磁电式传感器设计原则
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磁电感应式传感器有两个基本元件组成:一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传 感器体积，一般采用永久磁铁;另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。感应 电动势与磁通变化率或者线圈与磁场相对运动速度成正比，因此必须使它们之间有一个相对运 动。作为运动部件，可以是线圈，也可以是永久磁铁。所以，必须合理地选择它们的结构形式、 材料和结构尺寸.以满足传感器的基本性能要求。对于惯性式传感器，具体计算时，一般是先根据使用场合、使用对象确定结构形式和体积大 小（即轮廓尺寸），然后根据结构大小初步确定磁路系统，计算磁路以便决定磁感应强度B。这样，由技术指标给定的灵敏度S值以及确定的B值，由S=e/v=BιN即可求得线圈的匝数N。因为 在确定磁路系统时，气隙的尺寸已经确定了，线圈的尺寸也已确定，亦即 ι已经确定。根据这些 参数，便可初步确定线圈导线的直径d。从提高灵敏度的角度来看，B值大，S值也大，因此磁路 结构尺寸应大些。只要结构尺寸允许，磁铁可尽量大些，并选择B值大的永磁材料，匝数N也可 取得大些。当然具体计算时导线的增加也是受其他条件制约的，各参数的选择要统一考虑，尽量从优。
磁电式传感器分类
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一般分为两种：（1）磁电感应式（2）霍尔式
磁电式传感器霍尔式
霍尔效应置于磁场中的导体（或半导体），当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势（霍尔电势），原因是电荷受到洛伦兹力的作用。定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当fl=fE时，达到平衡，此时基本结构
霍尔元件的基本结构图如图2：
图2
基本特性（1）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流（2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻（3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，此时测得的空载霍尔电势。不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。（4）寄生直流电势（5）霍尔电势温度系数误差补偿（1）零点误差：不等位电势：①电极引出时偏斜，②半导体的电阻特性（等势面倾斜）造成。③激励电极接触不良。寄生直流电势：由于霍耳元件是半导体，外接金属导线时，易引起PN节效应，当电流为交流电时，整个霍耳元件形成整流效应，PN节压降构成寄生直流电势，带来输出误差。补偿方法制作工艺上保证电极对称、欧姆接触电路补偿
[2]
（2）霍尔元件的温度补偿误差原因：温度变化时，KH,Ri（输入电阻）变化补偿办法1.对温度引起的I进行补偿。采用恒流源供电。但只能减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流的变化的影响。2.对KHI乘积项同时进行补偿。采用恒流源与输入回路并联电阻。如图3所示：
图3
磁电式传感器应用
（1）霍尔式位移传感器工作原理图：如图4所示
图4
(2)几种霍尔式转速传感器的结构：如图5所示:
图5
(3)霍尔计数装置的工作示意图及电路图：如图6所示：
[2]
图6
磁电式传感器传递矩阵
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一.传递矩阵一.机械阻抗图(a)所示的质量为m、弹簧刚度为k，阻尼系数为c的单自由度机械振动系统。设在力F作用下产生的振动速度和位移分别为v和x，由此可列出力平衡方程机械阻抗图(b)所示的由电阻R、电感L和电容C组成的串联电路，设电源电压为u，回路电流为i、电荷为q。由此可列出电压平衡方程这两个微分方程式虽然机电内容不同，但形式相同。因此，这两个系统为一对相似系统。一个系统可以根据求解它的微分方程来讨论其动态特性，故上述两相似系统的动态特性必然一致，可以实现机电模拟。一对相似系统(a)单自由度机械振动系统；(b)RLC串联电路在电路中存在着电阻抗，它是将电流与电压联系起来的一个参数，可以设想，如同电路中的电阻抗一样，假设机械系统存在“机械阻抗”ZM。类似于电系统，由第一个式子可得可见ZM是将机械系统 中某一点上的运动响 应与引起这个运动的力联系起来的一个参数。由此可得，作简谐运动的线性机械系统的机械阻抗的定义为机械阻抗ZM(复数)=激振力(复数)/运动响应(复数)引用机械阻抗概念来分析机械系统的动态特性，就可以用简单的代数方法求得描述动态特性的传递函数，而不必求解微分方程。
磁电式传感器磁电应用
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测振传感器磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。常用地测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。(一).测振传感器的应用航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。(二).测振传感器的工作特性振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时，振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。磁电式力发生器与激振器前已指出磁电式传感器具有双向转换特性，其逆向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出量即为机械量。在惯性仪器——陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备，用以获取机械结构的动态参数，如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。
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参考资料
1.

李开宇．传感器原理：科学出版社，2007年
2.

陈杰．传感器与检测技术：高等教育出版社，2002.8：80