高中物理动生电动势和感生电动势

动生电动势和感生电动势法拉第电磁感应定律：只要穿过回路的磁通量发生了变化，在回路中就会有感应电动势产生。而实际上，引起磁通量变化的原因不外乎两条：其一是回路相对于磁场有运动；其二是回路在磁场中虽无相对运动，但是磁场在空间的分布是随时间变化的，我们将前一原因产生的感应电动势称为动生电动势，而后一原因产生的感应电动势称为感生电动势。注意:动生电动势和感生电动势的名称也是一个相对的概念，因为在不同的惯性系中，对同一个电磁感应过程的理解不同：（1）设观察者甲随磁铁一起向左运动:线圈中的自由电子相对磁铁运动，受洛仑兹力作用，作为线圈中产生感应电流和感应电动势的原因。－动生电动势。（2）设观察者乙相对线圈静止:线圈中的自由电子静止不动，不受磁场力作用。产生感应电流和感应电动势的原因是运动磁铁（变化磁场）在空间产生一个感应（涡旋）电场，电场力驱动使线圈中电荷定向运动形成电流。－感生电动势一、动生电动势导体或导体回路在磁场中运动而产生的电动势称为动生电动势。动生电动势的来源:如图，运动导体内每个电子受到方向向上的洛仑兹力为：；正负电荷积累在导体内建立电场；当时达到动态平衡，不再有宏观定向运动，则导体ab相当一个电源，a为负极（低电势），b为正极（高电势），洛仑兹力就是非静电力。可以使用法拉第定律计算动生电动势：对于整体或局部在恒定磁场中运动的闭合回路，先求出该回路的磁通F与t的关系，再将对t求导，即可求出动生电动势的大小。（2）动生电动势的方向可由楞次定律确定。二、感生电动势处在磁场中的静止导体回路，仅仅由磁场随时间变化而产生的感应电动势，称为感生电动势。感生电场:变化的磁场在其周围空间激发一种电场，称之为感生电场。而产生感生电动势的非静电场正是感生电场。感生电动势:回路中磁通量的变化仅由磁场变化引起，则电动势为感生电动势.若闭合回路是静止的，它所围的面积S也不随时间变化。感生电场与变化磁场之间的关系:（1）变化的磁场将在其周围激发涡旋状的感生电场，电场线是一系列的闭合线。（2）感生电场的性质不同于静电场。静电场感生电场场源正负电荷变化的磁场力线起源于正电荷，终止于负电荷不闭合曲线作用力法拉第电磁感应定律一、1、关于表达式tnE【公式在应用时容易漏掉匝数n，变化过程中磁场方向改变的情况容易出错，并且感应电动势E与、、t的关系容易混淆不清。】2、应用法拉第电磁感应定律的三种特殊情况：（1）E=Blv,（2）221BlE,（3）E=nBsωsinθ（或E=nBsωcosθ）二、1、、、t同v、△v、tv一样都是容易混淆的物理量磁通量磁通量变化量磁通量变化率t物理意义磁通量越大，某时刻穿过磁场中某个面的磁感线条数越多某段时间穿过某个面的末、初磁通量的差值表述磁场中穿过某个面的磁通量变化快慢的物理量计算BS，12，SB或BStSBt或tBSt注意若穿过某个面有方向相反的磁场，则不能直接用BS，应考虑相反方向的磁通量相互抵消以后所剩余的磁通量开始和转过1800时平面都与磁场垂直，穿过平面的磁通量是不同的，一正一负，△φ=2BS，而不是零既不表示磁通量的大小，也不表示变化的多少，在φ—t图象中用图线的斜率表示2、明确感应电动势的三种特殊情况中各公式的具体用法及应用时须注意的问题⑴导体切割磁感线产生的感应电动势E=Blv，应用此公式时B、l、v三个量必须是两两相互垂直，若不垂直应转化成相互垂直的有效分量进行计算。将有效分量代入公式E=Blv求解。此公式也可计算平均感应电动势，只要将v代入平均速度即可。⑵导体棒以端点为轴在垂直于磁感线的匀强磁场中匀速转动，各点的线速度不同，用平均速度（中点线速度）计算，221BlE。⑶矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁场的任意轴匀速转动产生的感应电动势何时用E=nBsωsinθ或E=nBsωcosθ计算。其实这两个公式的区别是计时起点不同。当线圈转至中性面（即线圈平面与磁场垂直的位置）时E=0，当线圈转至垂直中性面的位置（即线圈平面与磁场平行）时E=nBsω。这样，线圈从中性面开始计时感应电动势按E=nBsωsinθ规律变化，线圈从垂直中性面的位置开始计时感应电动势按E=nBsωcosθ规律变化。用这两个公式可以求某时刻线圈的磁通量变化率△φ/△t，。另外，tnE求的是整个闭合回路的平均感应电动势，△t→0的极限值才等于瞬时感应电动势。当△φ均匀变化时，平均感应电动势等于瞬时感应电动势。但三种特殊情况中的公式通常用来求感应电动势的瞬时值。【典例】例1：关于感应电动势，下列说法正确的是（）【答】CDA．穿过回路的磁通量越大，回路中的感应电动势就越大B．穿过回路的磁通量变化量越大，回路中的感应电动势就越大C．穿过回路的磁通量变化率大，回路中的感应电动势就大D．单位时间内穿过回路的磁通量变化量大，回路中感应电动势就大【总结】感应电动势的有无由磁通量变化量决定，≠0是回路中存在感应电动势的前提，感应电动势的大小由磁通量变化率t决定，t越大，回路中的感应电动势越大，与、无关。例2：一个面积S=4×10-2m2，匝数N=100的线圈，放在匀强磁场中，磁场方向垂直线圈平面，磁场的磁感应强度B随时间变化规律为△B/△t=2T/s，则穿过线圈的磁通量变化率t为Wb/s，线圈中产生的感应电动势E=V。【审题】磁通量的变化率t与匝数N无关。而感应电动势除与t有关外还与匝数N有关。【解析】根据磁通量变化率的定义得t=S△B/△t=4×10-2×2Wb/s=8×10-2Wb/s由E=N△φ/△t得E=100×8×10-2V=8V【总结】计算磁通量φ=BScosθ、磁通量变化量△φ=φ2-φ1、磁通量变化率△φ/△t时不用考虑匝数N，但在求感应电动势时必须考虑匝数N，即E=N△φ/△t。求安培力时也要考虑匝数N，即F=NBIL，因为通电导线越多，它们在磁场中所受安培力就越大。例3：如图7-1所示，两条平行且足够长的金属导轨置于磁感应强度为B的匀强磁场中，B的方向垂直导轨平面。两导轨间距为L，左端接一电阻R，其余电阻不计。长为2L的导体棒ab如图所示放置，开始时ab棒与导轨垂直，在ab棒绕a点紧贴导轨滑倒的过程中，通过电阻R的电荷量是。【解析】tBLtLLLBtSBtE23421222，tR2BL3REI2∴RBLtIq232答案：RBL232【总结】用E=N△φ/△t求的是平均感应电动势，由平均感应电动势求闭合回路的平均电流。而电路中通过的电荷量等于平均电流与时间的乘积，即RNttRNtIq，注意这个式子在不同情况下的应用。例4：如图7-2所示，在竖直向下的匀强磁场中，将一水平放置的金属棒以水平速度V0抛出，设整个过程中，棒的取向不变，不计空气阻力，则金属棒运动过程中产生的感应电动势的大小变化情况应是（）A．越来越大B．越来越小C．保持不变D．无法判断【解】导体切割磁感线产生的感应电动势E=Blv，金属棒运动过程中B、l和v的有效分量均不变，所以感应电动势E不变，选C。例5：如图7-3所示，长为L的金属棒ab，绕b端在垂直于匀强磁场的平面内以角速度ω匀速转动，磁感应强度为B，求ab两端的电势差。【审题】用棒的中点的速率作为平均切割速率代入公式E=Blv。也可以设△t时间ab棒扫过的扇形面积为△S，根据E=n△φ/△t。【解析】解法一：E=Blv=BLωL/2=BL2ω/2，解法二：E=n△φ/△t=B△S/△t=ttLB/212=BL2ω/2∴22BLEUab【总结】若用E=Blv求E，则必须先求出平均切割速率；若用E=n△φ/△t求E，则必须先求出金属棒ab在△t时间扫过的扇形面积，从而求出磁通量的变化率。例6：如图7-4所示，矩形线圈abcd共有n匝，总电阻为R，部分置于有理想边界的匀强磁场中，线圈平面与磁场垂直，磁感应强度大小为B。让线圈从图示位置开始以ab边为轴匀速转动，角速度为ω。若线圈ab边长为L1，ad边长为L2，在磁场外部分为2L52，则⑴线圈从图示位置转过530时的感应电动势的大小为。⑵线圈从图示位置转过1800的过程中，线圈中的平均感应电流为。⑶若磁场没有边界，线圈从图示位置转过450时的感应电动势的大小为，磁通量的变化率为。【审题】磁场有边界时，线圈abcd从图示位置转过530的过程中，穿过线圈的磁通量始终没有变化，所以此过程感应电动势始终为零；在线圈abcd从图示位置转过1800的过程中，初末状态磁通量大小不变，但方向改变，所以2121LBL56L53BL2。磁场没有边界时，线圈abcd从图示位置转动产生的感应电动势按E=nBsωsinθ规律变化。【解析】⑴线圈从图示位置转过530时的感应电动势的大小为零。⑵线圈从图示位置转过1800的过程中，图7-1图7-3图7-2图7-456562121LnBLLBLntnE∴RLnBLREI5621⑶若磁场没有边界，线圈从图示位置转过450时的感应电动势E=nBL1L2ωsinωt=21LnBL22，此时磁通量的变化率2221LBLnEt【总结】磁通量的变化量的求法，开始和转过1800时平面都与磁场垂直，△φ=2BS，而不是零。例7：一个圆形闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，如图7-5甲所示。设垂直纸面向里的磁感应强度方向为正，垂直纸面向外的磁感应强度方向为负。线圈中顺时针方向的感应电流为正，逆时针方向的感应电流为负。已知圆形线圈中感应电流i随时间变化的图象如图7-5乙所示，则线圈所在处的磁场的磁感应强度随时间变化的图象可能是（）【总结】若给出的是φ—t图象，情况是一样的。答案：CD例8：如图7-6所示，金属导轨间距为d，左端接一电阻R，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于平行金属导轨所在的平面，一根长金属棒与导轨成θ角放置，金属棒与导轨电阻不计。当金属棒沿垂直于棒的方向，以恒定速度v在金属导轨上滑行时，通过电阻的电流强度为；电阻R上的发热功率为；拉力的机械功率为。【审题】导体棒做切割磁感线运动，导体棒两端产生的感应电动势相当于闭合回路的电源，所以题中R是外电阻，金属棒为电源且电源内阻不计。由于金属棒切割磁感线时，B、L、v两两垂直，则感应电动势可直接用E=Blv求解，从而求出感应电流和发热功率，又因为金属棒匀速运动，所以拉力的机械功率等于电阻R上的发热功率，也可以用P=Fv=BILv求拉力的机械功率。【解析】⑴sinBdvBLVE∴sinRBdvREI⑵22222sinRvdBRIP热⑶2222sinRvdBPP热机械或者2222sinsinsinRvdBvdRBdvBBILvFvP机械例9：如图7-7所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上，两导轨间距为L。M、P两点间接有电阻值为R的电阻，一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直。整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直斜面向下。导轨和金属杆的电阻可忽略。让ab杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良好，不计它们之间的摩擦。求：⑴在加速下滑过程中，当ab杆的速度大小为v时杆中的电流及杆的加速度大小；⑵在下滑过程中，ab杆可以达到的速度最大值。【审题】根据受力情况还可以判断ab杆的运动情况，ab杆下滑过程中速度越来越大，安培力F越来越大，其合外力越来越小，加速度越来越小，当加速度为零时速度最大，所以ab杆做的是加速度逐渐减小的加速运动，最后以最大速度匀速运动。根据ab杆达最大速度时合外力为零可求其最大速度。图7-5图7-6图7-7图7-8【解析】⑴ab杆的速度为v时，感应电动势E=BLv∴RvLBLRBLvBBILF22根据牛顿第二定律，有ma=mgsinθ-F∴mRvLBga22sin⑵当F