高中物理竞赛讲义第11部分电磁感应

11第十一部分电磁感应在第十部分，我们将对感应电动势进行更加深刻的分析，告诉大家什么是动生电动势，什么是感生电动势。在自感和互感的方面，也会分析得更全面。至于其它，如楞次定律、电磁感应的能量实质等等，则和高考考纲差别不大。第一讲、基本定律一、楞次定律1、定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。注意点：阻碍“变化”而非阻碍原磁场本身；两个磁场的存在。2、能量实质：发电结果总是阻碍发电过程本身——能量守恒决定了楞次定律的必然结果。【例题1】在图10-1所示的装置中，令变阻器R的触头向左移动，判断移动过程中线圈的感应电流的方向。【解说】法一：按部就班应用楞次定律；法二：应用“发电结果总是阻碍发电过程本身”。由“反抗磁通增大”→线圈必然逆时针转动→力矩方向反推感应电流方向。【答案】上边的电流方向出来（下边进去）。〖学员思考〗如果穿过线圈的磁场是一对可以旋转的永磁铁造成的，当永磁铁逆时针旋转时，线圈会怎样转动？〖解〗略。〖答〗逆时针。——事实上，这就感应电动机的基本模型，只不过感应电动机的旋转磁场是由三相交流电造就的。3、问题佯谬：在电磁感应问题中，可能会遇到沿不同途径时得出完全相悖结论的情形，这时，应注意什么抓住什么是矛盾的主要方面。【例题2】如图10-2所示，在匀强磁场中，有圆形的弹簧线圈。试问：当磁感应强度逐渐减小时，线圈会扩张还是会收缩？【解说】解题途径一：根据楞次定律之“发电结果总是阻碍发电过程本身”，可以判断线圈应该“反抗磁通的减小”，故应该扩张。解题途径二：不论感应电流方向若何，弹簧每两圈都是“同向平行电流”，根据安培力的常识，它们应该相互吸引，故线圈应该收缩。这两个途径得出的结论虽然是矛盾的，但途径二有不严谨的地方，因为导线除了受彼此间的安培力之外，还受到外磁场的安培力作用，而外磁场的安培力是促使线圈扩张的，所以定性得出22结论事实上是困难的。但是，途径一源于能量守恒定律，站的角度更高，没有漏洞存在。【答案】扩张。〖学员思考〗如图10-3所示，在平行、水平的金属导轨上有两根可以自由滚动的金属棒，当它们构成闭合回路正上方有一根条形磁铁向下运动时，两根金属棒会相互靠拢还是相互远离？〖解〗同上。〖答〗靠拢。二、法拉第电磁感应定律1、定律：闭合线圈的感应电动势和穿过此线圈的磁通量的变化率成正比。即ε=Nt物理意义：N为线圈匝数；t有瞬时变化率和平均变化率之分，在定律中的ε分别对应瞬时电动势和平均电动势。图象意义：在φ－t图象中，瞬时变化率t对应图线切线的斜率。【例题3】面积为S的圆形（或任何形）线圈绕平行环面且垂直磁场的轴匀速转动。已知匀强磁场的磁感应强度为B，线圈转速为ω，试求：线圈转至图19-4所示位置的瞬时电动势和从图示位置开始转过90°过程的平均电动势。【解说】本题是法拉第电磁感应定律的基本应用。求瞬时电动势时用到极限xxsinlim0x=1；求平均电动势比较容易。【答案】BSω；2BSω。2、动生电动势a、磁感应强度不变而因闭合回路的整体或局部运动形成的电动势成为动生电动势。b、动生电动势的计算在磁感应强度为B的匀强磁场中，当长为L的导体棒一速度v平动切割磁感线，且B、L、v两两垂直时，ε=BLv，电势的高低由“右手定则”判断。这个结论的推导有两种途径——①设置辅助回路，应用法拉第电磁感应定律；②导体内部洛仑兹力与电场力平衡。导体两端形成固定电势差后，导体内部将形成电场，且自由电子不在移动，此时，对于不在定向移动的电子而言，洛仑兹力f和电场力F平衡，即F=f即qE=qvB而导体内部可以看成匀强电场，即L=E33所以ε=BLv当导体有转动，或B、L、v并不两两垂直时，我们可以分以下四种情况讨论（结论推导时建议使用法拉第电磁感应定律）——①直导体平动，L⊥B，L⊥v，但v与B夹α角（如图10-5所示），则ε=BLvsinα；②直导体平动，v⊥B，L⊥B，但v与L夹β角（如图10-6所示），则ε=BLvsinβ；推论：弯曲导体平动，端点始末连线为L，v⊥B，L⊥B，但v与L夹γ角（如图10-7所示），则ε=BLvsinγ；③直导体转动，转轴平行B、垂直L、且过导体的端点，角速度为ω（如图10-8所示），则ε=21BωL2；推论：直导体转动，转轴平行B、垂直L、但不过导体的端点（和导体一端相距s），角速度为ω（如图10-9所示），则ε1=BLω(s+2L)（轴在导体外部）、ε2=21Bω(L2－2s)=B(L－2s)ω(s+2s2L)（轴在导体内部）；☆这两个结论由学员自己推导(教师配合草稿板图)…④直导体转动，转轴平行B、和L成一般夹角θ、且过导体的端点，角速度为ω（如图10-9所示），则ε=21BωL2sin2θ；推论：弯曲导体（始末端连线为L）转动，转轴转轴平行B、和L成一般夹角θ、且过导44体的端点，角速度为ω（如图10-10所示），则ε=21BωL2sin2θ。统一的结论：种种事实表明，动生电动势可以这样寻求——即ε=BLv，而B、L、v应彼此垂直的（分）量。【例题4】一根长为L的直导体，绕过端点的、垂直匀强磁场的转轴匀角速转动，而导体和转轴夹θ角，已知磁感应强度B和导体的角速度ω，试求导体在图10-11所示瞬间的动生电动势。【解说】略。（这个导体产生的感应电动势不是恒定不变的，而是一个交变电动势。）【答案】ε=41BωL2sin2θ。第二讲感生电动势一、感生电动势造成回路磁通量改变的情形有两种：磁感应强度B不变回路面积S改变（部分导体切割磁感线）；回路面积S不变而磁感应强度B改变。对于这两种情形，法拉第电磁感应定律都能够求出（整个回路的）感应电动势的大小（前一种情形甚至还可以从洛仑兹力的角度解释）。但是，在解决感应电动势的归属．．问题上，法拉第电磁感应定律面临这前所未有的困难（而且洛仑兹力角度也不能解释其大小）。因此，我们还是将两种情形加以区别，前一种叫动生电动势，后一种叫感生电动势。感生电动势的形成通常是用麦克斯韦的涡旋电磁理论解释的。1、概念与意义根据麦克斯韦电磁场的理论，变化的磁场激发（涡旋）电场。涡旋电场力作用于单位电荷，使之运动一周所做的功，叫感生电动势，即ε感=qW涡*值得注意的是，这里的涡旋电场力是一种比较特殊的力，它和库仑电场力、洛仑兹力并称为驱动电荷运动的三大作用力，但是，它和库仑电场力有重大的区别，特别是：库仑电场力可以引入电位、电场线有始有终，而涡旋电场不能引入电位、电场线是闭合的（用数学语言讲，前者是有源无旋场，后者是有旋无源场）。2、感生电动势的求法感生电动势的严谨求法是求法拉第电磁感应定律的微分方程（*即LldE感=－SSdtB）。在一般的情形下，解这个方程有一定的难度。但是，tB具有相对涡旋中心的轴对称性，根据这种对称性解体则可以是问题简化。【例题5】半径为R的无限长螺线管，其电流随时间均匀增加时，其内部的磁感应强度也随时间均匀增加，由于“无限长”的原因，其外部的有限空间内可以认为磁感应强度恒为零。设内部tB=55k，试求解管内、外部空间的感生电场。【解说】将B值变化等效为磁感线变密或变疏，并假定B线不能凭空产生和消失。在将B值增加等效为B线向“中心”会聚（运动）、B值减小等效为B线背离“中心”扩散（运动）。（1）内部情形求解。设想一个以“中心”为圆心且垂直B线的圆形回路，半径为r，根据运动的相对性，B线的会聚运动和导体向外“切割”B线是一样的。而且，导体的每一段切割的“速度”都相同，因此，电动势也相等。根据E=dU知，回路上各处的电场强度应相等（只不过电场线是曲线，而且是闭合的）。由ε总=πr2tB和E=r2总得E=2kr显然，撤去假想回路，此电场依然存在。（2）外部情形求解。思路类同（1），只是外部“假想回路”的磁通量不随“回路”的半径增大而改变，即φ=πR2B由ε总=πR2tB和E′=r2总得E=r2kR2（r＞R）【答案】感生电场线是以螺线管轴心为圆心的同心圆，具体涡旋方向服从楞次定律。感生电场强度的大小规律可以用图10-12表达。〖说明〗本题的解答中设置的是一个特殊的回路，才会有“在此回路上感生电场大小恒定”的结论，如果设置其它回路，E=r2总关系不可用，用我们现有的数学工具将不可解。当然，在启用高等数学工具后，是可以的出结论的，而且得出的结论和“特殊回路”的结论相同。〖学员思考〗如果在螺线管内、外分别放置两段导体CD和EF，它们都是以螺线管轴线为圆心、且圆心角为θ的弧形，试求这两段导体两端的电势差。〖参考解答〗因为在弧线上的场强都是大小恒定的，故可用U=E·l弧长求解显然，UCD=2kθr2，UEF=2kθR2。〖推论总结〗我们不难发现，UCD=tB×（扇形OCD的面积）,UEF=tB×（扇形OGH的面积）。66结论：感生电动势的大小可以这样计算，用磁感应强度的变化率乘以自磁场变化中心出发引向导体两端的曲边形（在磁场中）的“有效面积”。注意，针对（圆心在磁场变化中心的）非弧形导体，用U=Ed行不通（启用ε=ldE数学工具又不到位），但上面的“推论”则是可以照样使用的。【应用】半径为R螺线管内充满匀强磁场，磁感应强度随时间的变化率tB已知。求长为L的直导体在图10-14中a、b、c三个位置的感应电动势大小分别是多少？【解】在本题中，由于没有考查（以涡旋中心为圆心的）环形回路或弧形回路，所以需要用上面的“推论”解决问题。显然，这里的“有效面积”分别为Sa=0Sb=21L22)2L(RSc=21R2·arctgRlL【答】εa=0；εb=22LR4tB4L；εa=tB2R2arctgRlL。二、电势、电流、能量和电量1、只要感应电路闭合，将会形成感应电流，进而导致能量的转化。关于感应电路的电流、能量和电量的计算，可以借助《稳恒电流》一章中闭合电路欧姆定律的知识。但是，在处理什么是“外电路”、什么是“内电路”的问题上，常常需要不同寻常的眼光。我们这里分两种情形归纳——如果发电是“动生”的，内电路就是（切割）运动部分；如果发电是“感生”的，内、外电路很难分清，需要具体问题具体分析，并适当运用等效思想。（内电路中的电动势分布还可能不均匀。）【例题6】如图10-15所示，均匀导体做成的半径为R的Φ形环，内套半径为R/2的无限长螺线管，其内部的均匀磁场随时间正比例地增大，B=kt，试求导体环直径两端M、N的电势差UMN。【解说】将图10-15中的左、中、右三段导体分别标示为1、2、3，它们均为电源，电动势分别为——ε1=41kR2（π－arctg2），ε2=ε3=41kR2arctg2设导体单位长度电阻为λ，三“电源”的内阻分别为——r1=r3=πλR，r2=2λR应用楞次定律判断电动势的方向后，不难得出它们的连接方式如图10-16所示。然后，我们用戴维南定理解图10-16中的电流I，最后UMN=Ir1－ε1=133221321133123rrrrrrrrrrrr=…77【答案】UMN=41kR2（arctg2－24）。2、受中学阶段数学工具的制约，在精确解不可求的情况下，将物理过程近似处理，或在解题过程中做近似处理常常是必要的。【例题7】在图10-17所示的装置中，重G=0.50N、宽L=20cm的П型导体置于水银槽中，空间存在区域很窄（恰好覆盖住导体）的、磁感应强度B=2.0T的匀强磁场。现将开关K合上后，导体立即跳离水银槽，且跳起的最大高度h=3.2cm，重力加速度g=10m/s2，忽略电源内阻。（1）若通电时间t=0.01s，忽略导体加速过程产生的感应电动势，求通电过程流过导体的电量；（2）如果回路外总电阻R=0.10Ω，则导体重回水银槽瞬间，消耗在回路中的电功率是多少？【解说】解第（1）问时，本来因为导体运动而形成的反电动势（感应电动势）是存在的，这里只能忽略；磁场又是仅仅覆盖住导体的，这就意味着导体棒跳离水银槽后可以认为是竖直上抛运动。对上抛过程，v0=gh2对导体离开水银槽过程，（F－G）t=mv0综合以