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第2章
交流电磁场基本原理

所有的电磁检测方法,都是基于电磁感应原理的,而在19世纪初,科学界普遍认为电和磁是独立作用的,尚未观察到或论及电磁感应。但其实早在1731年,一名英国商人发现,雷电现象过后的刀叉有了磁性。而在1751年,富兰克林已经观察到用莱顿瓶放电可使钢针磁化这一现象。这一系列的物理现象对丹麦物理学家汉斯·奥斯特(Hans Christian Oersted,1777—1851)启发很大,他接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想,坚信电与磁之间存在某种联系。他认识到电磁转化不是可能或不可能的问题,而是如何实现的问题。经过多次的实验与探索,他最终证明了通电导线对磁针的作用,在1820年的一次讲座中,他向科学界宣布了电流的磁效应,标志着电磁学时代的到来。

奥斯特的发现对整个欧洲,特别是对法国学术界产生了很大影响,很多科学家在奥斯特实验的基础上进行了大量探索,安培便是其中之一。安培研究了电流之间的相互作用,阐述了两条平行载流导线之间的相互作用,提出了两个电流元之间的相互作用会沿着它们的连线产生,并在此基础上,总结出两个电流元之间的作用力与距离成平方反比的公式,这就是著名的安培公式。并且为了奥斯特效应,安培提出了著名的分子电流假设:磁性物质中每个分子都有一种微观电流,每个分子的圆电流会形成一个小磁体。在磁性物质中,这些电流沿磁轴方向规律地排列,从而显现出一种绕磁轴旋转的电流,如同螺线管电流一样。安培将电动力学的数学理论牢固地建立在分子电流假设的基础上。

除了安培,另外两名科学家——毕奥与萨伐尔也受到了奥斯特实验的影响。由于在奥斯特实验的表面,长直载流导线对磁极的作用力是横向力,因此毕奥与萨伐尔认为电流元对磁极的作用力也应垂直于电流元与磁极构成的平面,即其也是横向力。他们通过长直和弯折载流导线对磁极作用力的实验,得出了作用力与距离和弯折角的关系,并通过适当的分析,得到电流元对磁极作用力的规律,也是电流元产生磁场的规律。毕奥-萨伐尔定律是认识电流产生磁场及磁场对电流作用的基础,至此,电流磁效应的发现打开了电磁应用的新领域。

在奥斯特发现电流的磁效应后,许多物理学家便试图找到它的逆效应,即磁能否生电,磁能否对电产生作用。1831年8月,法拉第在软铁环两侧分别绕了两个线圈,一个线圈为闭合回路,在导线下端附近平行放置一个磁针,另一个线圈与电池组相连,当接通开关时,会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。法拉第意识到,这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他又做了几十个实验,把产生感应电流的现象概括为五类: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,并把这五类现象正式命名为电磁感应。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。

后来便出现了描述感应电流方向的楞次定律及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律(其公式并非由法拉第亲自给出),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。

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一,它揭示了电现象与磁现象之间的相互联系,对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。法拉第电磁感应定律的重要意义在于,一方面,依据电磁感应原理,人们制造了发电机,使电能的大规模生产和远距离输送成为可能;另一方面,使电磁感应现象在电工技术、电子技术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。

法拉第电磁感应定律及后来的麦克斯韦电磁场理论为电磁检测的应用奠定了物理理论基础。例如,在初级回路中通入不同的电流或停止加载电流会对次级回路产生不同的影响,这种影响会在两根导线相互靠近时增大;或者采用环形线圈或螺旋形线圈,将一根铁棒或一捆铁丝插入线圈中,会进一步增强效果。这一现象证明了在涡流检测中使用磁化线圈的基本原理,需要明确指出一个随时间变化的初级电流,表明紧密耦合是减小提离高度的优点,也说明在涡流探头线圈中采用铁或铁氧体芯的优点。如今的电磁检测系统充分利用了上述由法拉第在1831年阐明的每一条原理。

电磁场方程组由描述宏观电磁场现象普遍规律的方程式或方程组构成,包括麦克斯韦方程组、静电场和恒定磁场的基本方程、无源区的波动方程等,揭示了不同条件下电磁场的普遍规律。1819年,奥斯特发现了电流的磁作用,通过推理又导出了电流的磁化作用与电流之间的机械作用,实验结论是:运动电荷产生磁现象。1820年安培发现磁铁对载流导体或载流线圈有作用力,从而得出了磁对运动电荷产生作用力的结论。至此,人们总结出磁现象与电荷的运动有密切联系。法拉第经过多年的实验研究,于1831年发现了磁电感应产生的条件,这一重大发现在科学技术史上具有划时代的意义。 cVqg59C+hH9WhAZ0yJK4MBRz69kf+W4RUjLI+bDfZyK8QpOJy2pPDwIs6QLJHcho

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