电磁感应

Q: 处于磁场中的线圈在什么情况下不会产生感应电压？

如果线圈与磁场之间不存在相对运动，或者线圈的运动方向与磁感线平行（导体没有切割任何磁感线），就不会产生感应电压。

Q: 为什么变压器只能在交流电下工作？

变压器需要铁芯内的磁通量持续变化，才能在副线圈中感应出电压。直流电产生的磁场是恒定的，因此副线圈中不会感应出电压。

Q: 考试的公式表中会给出变压器相关公式吗？

不会，参加爱德思IGCSE物理考试时，你必须牢记匝数比公式（）和100%效率下的功率公式（）。

物理· 6(d) 6.15–6.20· 12 分钟阅读

1. 1. 核心内容：电磁感应基础★★☆☆☆⏱ 3 min

✓ 计算器

📘 定义

电磁感应

当导体切割磁感线，或穿过线圈的磁场随时间发生变化时，导体两端产生电压的现象。

只有当导体和磁场之间存在相对变化时，才会产生感应电压。如果导体相对于磁场静止，或运动方向与磁感线平行，就不会产生电压。感应电压的大小由三个核心定性因素决定：

Stronger magnetic field strength
More turns of wire on the coil
Faster relative motion between the conductor and magnetic field

📐 例题

一名学生将一根直导线在条形永久磁体的两极之间移动。请列出三种可以增大感应电压大小的改动方案。

1
1. 用磁性更强的磁体替换原有的条形永久磁体，增大磁场强度。
2
1. 将直导线绕制成多匝线圈，替代原来的单根直导线。
3
1. 加快导线在磁场中的移动速度，使每秒切割的磁感线数量增加。

Exam tip:

在描述电磁感应相关实验时，你提出的所有改动措施都要和「每秒切割更多磁感线」建立关联，才能拿到AO3部分的全部分数。

2. 2. 核心内容：交流电的产生★★☆☆☆⏱ 3 min

✓ 计算器

电网中的电力由简易交流发电机产生，其工作原理为电磁感应。发电机的结构分为两种：一种是固定磁场内有可旋转的导线线圈，另一种是固定线圈内有可旋转的磁体。旋转过程中，穿过线圈的磁场方向持续变化，从而产生交变电压（若电路闭合则会产生交变电流）。

适用于普通电磁感应现象的、可增大感应电压的所有因素，对发电机同样有效，除此之外还有一个额外的影响因素：

Stronger magnet
More turns on the coil
Faster rotation speed of the coil/magnet
Wrapping the coil around a soft iron core to concentrate the magnetic field

📐 例题

一台简易校园发电机的线圈在两块固定的条形磁铁之间旋转。请解释为什么加快线圈的旋转速度会增大感应电压的大小。

1
1. 更快的旋转意味着线圈每秒切割磁感线的频率高得多。
2
1. 这会增大穿过线圈的磁场的变化率。
3
1. 更高的磁场变化率会产生更大的感应电压。

Exam tip:

不要混淆发电机和电动机：发电机将动能转化为电能，而电动机将电能转化为动能。

3. 3. 仅高阶内容：变压器的结构与工作原理★★★☆☆HL 专属⏱ 3 min

✓ 计算器

📘 定义

变压器

一种用于改变交流电压大小的装置，由两个独立的绝缘导线线圈缠绕在同一个共用的软铁芯上构成。

连接到输入交流电源的线圈称为初级线圈，连接到输出电路的线圈称为次级线圈。初级线圈中的交流电会在铁芯中产生不断变化的磁场，从而在次级线圈中感应出交流电压。变压器分为两类：

Step-up transformer: Has more turns on the secondary coil than the primary coil, so output voltage is higher than input voltage.
Step-down transformer: Has fewer turns on the secondary coil than the primary coil, so output voltage is lower than input voltage.

📐 例题

某变压器的初级线圈有200匝，次级线圈有800匝。这是升压变压器还是降压变压器？请解释你的答案。

1
1. 比较次级线圈的匝数（ $N_{s} = 800$ ）和初级线圈的匝数（ $N_{p} = 200$ ）。
2
1. $N_{s} > N_{p}$ ，因此这是一个升压变压器。
3
1. 输出电压将是输入电压的4倍。

Exam tip:

如果题目问到为什么变压器不能在直流下工作，一定要说明直流会产生恒定磁场，因此次级线圈中不会感应出电压。

4. 4. 仅高阶内容：变压器计算与国家电网★★★★☆HL 专属⏱ 3 min

✓ 计算器

考试要求你熟记两个关键的变压器公式，它们不会印在公式表上。第一个是匝数比公式，它将电压和两个线圈的匝数关联起来：

\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}

第二个，对于效率为100%的变压器（除非题目特别说明，否则所有考试题都默认该条件），输入功率等于输出功率：

V_p \times I_p = V_s \times I_s

变压器是实现高效国家电网输电的核心设备。长距离输电时，电线的电阻会导致能量以热量的形式损耗。热损耗与电流的平方成正比（ $P_{l oss} = I^{2} R$ ），因此减小电流可以大幅降低能量损耗。升压变压器在发电站处升高电压，在总功率恒定的前提下就可以减小电流（ $P = V I$ ）。之后降压变压器会将电压降低到安全的230V水平，供家庭和商业使用。

📐 例题

一台效率为100%的升压变压器，输入电压为25000 V，初级线圈匝数为1000匝，次级线圈匝数为20000匝。计算输出电压，以及当输入电流为40 A时的输出电流。

1
步骤1：使用匝数比公式求解 $V_{s}$
2
$\frac{25000}{V_s} = \frac{1000}{20000}$
3
整理公式求解 $V_{s}$ ：
4
$V_s = \frac{25000 \times 20000}{1000} = 500000 V$
5
步骤2：使用功率效率公式求解 $I_{s}$
6
$25000 \times 40 = 500000 \times I_s$
7
整理公式求解 $I_{s}$ ：
8
$I_s = \frac{25000 \times 40}{500000} = 2 A$

Exam tip:

解答计算题时必须写出完整的推导过程，最终答案要带上正确的单位，才能拿到所有分值。除非题目另有要求，否则答案保留2-3位有效数字即可。

5. 常见陷阱

错误做法:

Stating voltage is induced when a conductor is stationary in a constant magnetic field

原因:

Induced voltage requires relative motion or a changing magnetic field to cut field lines; no change means no induction

正确做法:

Always specify that relative motion or a changing magnetic field is required for electromagnetic induction to occur

错误做法:

Confusing step-up and step-down transformer turn ratios, e.g. saying step-up transformers have fewer secondary turns

原因:

Step-up transformers increase voltage, which requires more secondary turns per the turns ratio equation

正确做法:

Remember: More secondary turns = higher secondary voltage = step-up transformer; fewer secondary turns = lower secondary voltage = step-down transformer

错误做法:

Applying transformer equations to direct current (d.c.) circuits

原因:

Transformers require alternating current to produce a changing magnetic field in the core; d.c. produces a constant field, so no voltage is induced in the secondary coil

正确做法:

Only use transformer equations for a.c. circuits, and explicitly note d.c. inputs will not work if asked

错误做法:

Claiming high transmission voltage increases current and heat loss

原因:

For fixed power ( $P = V I$ ), voltage and current are inversely proportional: higher voltage means lower current, which reduces $I^{2} R$ heat loss

正确做法:

Link high grid transmission voltage directly to low current, which reduces wasted heat energy in cables

错误做法:

Omitting units or using incorrect units for transformer calculation answers

原因:

Exam marks are awarded for correct units as well as correct numerical values

正确做法:

Always add units (V for voltage, A for current) to your final answer, and check unit consistency in your working

6. 速查表

Concept	All Tiers	Higher Tier Only
Induction requirement	Relative motion / changing magnetic field	Same as core
Induced voltage factors	Stronger field, more coil turns, faster relative motion/rotation	Same as core
Transformer definitions	Not assessed	Step-up: $N_{s} > N_{p}$ → $V_{s} > V_{p}$ ; Step-down: $N_{s} < N_{p}$ → $V_{s} < V_{p}$
Must-recall formulas	None for this topic	$\frac{V _{p}}{V _{s}} = \frac{N _{p}}{N _{s}}$ ; $V_{p} I_{p} = V_{s} I_{s}$ (100% efficiency)
National grid use	Not assessed	Step-up at power stations to reduce heat loss; step-down for safe domestic use

7. 常见问题

处于磁场中的线圈在什么情况下不会产生感应电压？

如果线圈与磁场之间不存在相对运动，或者线圈的运动方向与磁感线平行（导体没有切割任何磁感线），就不会产生感应电压。

为什么变压器只能在交流电下工作？

变压器需要铁芯内的磁通量持续变化，才能在副线圈中感应出电压。直流电产生的磁场是恒定的，因此副线圈中不会感应出电压。

考试的公式表中会给出变压器相关公式吗？

不会，参加爱德思IGCSE物理考试时，你必须牢记匝数比公式（ $V_{p} / V_{s} = N_{p} / N_{s}$ ）和100%效率下的功率公式（ $V_{p} I_{p} = V_{s} I_{s}$ ）。

深入阅读

下一步

Now that you have mastered electromagnetic induction for Edexcel IGCSE Physics, you can move on to practice exam-style questions for this topic, and revise related magnetism and electricity concepts. This topic is frequently tested in both Paper 1 (core induction and generator content) and Paper 2 (Higher tier transformer content), so make sure you can recall all required formulas and qualitative explanations. You should also practice multi-step transformer calculation questions to ensure you can rearrange equations correctly under timed exam conditions.