高中物理竞赛系列讲座--- 法拉第电磁感应定律

智浪教育-普惠英才法拉第电磁感应定律楞次定律4．2．1、法拉第电磁感应定律当通过闭合线圈的磁通量变化时，线圈中有感应电流产生，而电流的产生必与某种电动势的存在相联系，这种由于磁通量变化而引起的电动势，称做感应电动势。感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的本质。因为感应电流的大小随线圈的电阻而变，而感应电动势仅与磁通量的变化有关，与线圈电阻无关，特别是当线圈不闭合时，只要有磁通变化，线圈内就有感应电动势而此时线圈内却没有感应电流，这时我们还是认为发生了电磁感应现象。精确的实验表明：闭合回路中的感应电动势ε与穿过回路的磁通量的变化率Δ/△t成正比。这个结论叫做法拉第电磁感应定律。即：tK式中K是比例常数，取决于ε、、t的单位。在国际单位制中，的单位为韦伯，t的单位为秒，ε的单位是伏特，则K=1。t这个定律告诉我们，决定感应电动势大小的不是磁通量本身，而是随时间的变化率。在磁铁插在线圈内部不动时，通过线圈的磁通虽然很大，但并不随时间而变化，那仍然没有感应电动势。这个定律是实验定律，它与库仑定律，毕奥——萨伐尔定律这两个实验定律一起，撑起了电磁理论的整座大厦。4．2．2、楞次定律1834年楞次提出了判断感应电流方向的方法，而根据感应电流的方向可以智浪教育-普惠英才说明感应电动势的方向。具体分析电磁感应实验，可看到：闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场阻止引起感应电流的磁通量的变化。这个结论就是楞次定律。用楞次定律来判断感应电流的方向，首先判断穿过闭合回路的磁力线沿什么方向，它的磁通量发生什么变化(增加还是减少)，然后根据楞次定律来确定感应电流所激发的磁场沿何方向(与原磁场反向还是同向)；最后根据右手定则从感应电流产生的磁场方向来确定感应电流的方向。法拉第定律确定了感应电动势的大小，而楞次定律确定了感应电动势的方向，若要把二者统一于一个数学表达式中，必须把磁通和感应电动势看成代数量，并对它的正负赋予确切的含义。电动势和磁通量都是标量，它们的正负都是相对于某一标定方向而言的。动于电动势的正负，先标定回路的绕行方向，与此绕行方向相同的电动势为正，否则为负。磁通量是通过以回路为边界的面的磁力线的根数，其正负有赖于这个面的法线矢量n方向的选取，若B与n的夹角为锐角，则为正：夹角为钝角，为负。但需要注意，回路绕行方向与n方向的选定，并不是各自独立的任意确定，二者必须满足右手螺旋法则。如图4-2-1，伸出右手，大姆指与四指垂直，让四指弯曲代表选定的回路的绕行方向，则伸直的姆指就指向法线n的方向。对电动势和磁通量的方向做以上规定后，法拉第定律和楞次定律就统一于下式：t若在时间间隔△t内的增量为ttt，那么当正随时间增大，或负的的绝对值随时间减小时，0，则ε为负，ε的方向与标定的n图4-2-1智浪教育-普惠英才回路方向相反；反之，当正的随时间减小，或负的的绝对值随时间增加。4．2．3、典型例题例1.如图4-2-2所示，在水平桌面放着长方形线圈abcd，已知ab边长为1l，bc边长为2l，线圈总电阻为R，ab边正好指向正北方。现将线圈以南北连线为轴翻转180。，使ab边与cd边互换位置，在翻转的全过程中，测得通过导线的总电量为1Q。然后维持ad边(东西方向)不动，将该线圈绕ad边转90。，使之竖直，测得正竖直过程中流过导线的总电量为2Q。试求该处地磁场磁感强度B。分析:由于地磁场存在，无论翻转或竖直，都会使通过回路的磁通量发生变化，产生感应电动势，引起感应电流，导致电量传输。值得注意的是，地磁场既有竖直分量，又有南北方向的分量，而且在南半球和北半球又有所不同，题目中未指明是在南半球或北班球，所以解题过程中应分别讨论。解:(1)设在北半球，地磁场B可分解为竖见向下的1B和沿水平面由南指北的2B，如图4-2-3所示，其中B与水平方向夹角为θ。当线圈翻转180º时，初末磁通分别为21122111,llBllB由tRrit,/可知：t时间通过导体截面电量Rtiq。所以在这一过程中有南北abcd图4-2-2B1B2B图4-2-3智浪教育-普惠英才RllB21112竖直时，21BB、均有影响，即2111llB2122llB211221llBBR于是解得：2111llRQB12212112212122222BBQQllRBBQQllRB2221212122122222QQQQllRBBB212122QQQBBtg当12BB时，或45。时，取“+”号。当12BB时，或45。时，取“-”号。(2)设在南半球，B同样可分解为竖直向上分量1B和水平面上由南指北分量2B，如图4-2-4所示。同上，RllB2111竖直立起时211llB2112llB则有：212112llBBRllBBR21212解得：21112llRQBB1B2B图4-2-4智浪教育-普惠英才212122llRB所以B大小2221212122212222QQQQllRBBB方向：12121222QQQBBtg。例2.如图4-2-5所示，AB是一根裸导线，单位长度的电阻为0R，一部分弯曲成半径为0r的圆圈，圆圈导线相交处导电接触良好。圆圈所在区域有与圆圈平面垂直的均匀磁场，磁感强度为B。导线一端B点固定，A端在沿BA方向的恒力F作用下向右缓慢移动，从而使圆圈缓慢缩小。设在圆圈缩小过程中始终保持圆的形状，设导体回路是柔软的，试求此圆圈从初始的半径0r到完全消失所需时间T。分析:在恒力F拉动下，圆圈不断缩小，使其磁通量发生变化，产生感应电动势，由于交叉点处导线导电良好，所以圆圈形成闭合电路，产生感应电流。因圆圈缩小是缓慢的，F所作功全部变为感应电流产生的焦耳热，由此可寻找半径r随时间的变化规律。解:设在恒力F作用下，A端△t时间内向右移动微小量△x，则相应圆半径减小△r，则有：rx2在这瞬息△t时间内F的功等于回路电功tRxF2tSBtS可认为是由于半径减小微小量r而引起面积变化，有：BAF图4-2-5智浪教育-普惠英才rrS2而回路电阻R为：rRR20代入得：trRtSBrF220222022202222FRSBrFRSBtr显然t与圆面积的变化S成正比，所以当面积由20r变化至零时，经历时间T为iSFRBFRSBtT020122202202FRBrT例3、如图4-2-6所示，在边长为a的等边三角形区域内有匀强磁场B，其方向垂直纸面向外。一个边长也为a的第边三角形导体框架ABC，在t=0时恰好与上述磁场区域的边界重合，尔后以周期T绕其中心组面内沿顺时针方向匀速运动，于是在框架ABC中产生感应电流。规定电流按A—B—C—A方向流动时电流强度取正值，反向流动时的取负值。设框架ABC的电阻为R，试求从t=0到6/1Tt时间内的平均电源强度1I和从t=0到2/2Tt时间内的平均电流强度2I。分析:根据法拉第电磁感应定律，感应电动势与磁通量变化率成正比，即t。由此，在一段时间t内感应电动势的平均值为t，其中是在t时间内磁通量的变化。由，根据欧姆定律可确定回路中的平均电流强度，电流的方向由楞次定律确定。ABC图4-2-6ABC图4-2-7ABC图4-2-8智浪教育-普惠英才解:从t=0到61Tt的时间内，导体框架从图2-2-7中的虚线位置转到实线位置，所经时间为61Tt，磁通量减小了Ba21123。故感应电动势的平均值为TBat21123。由楞次定律，感应电流方向为A—B—C—A，故平均电流强度为正值，即22Tt，Ba22123。感应电动势的平均值为RTBaRI63222。细致分析可知，从t=0到6T过程中，磁通量减小，感应电流沿A—B—C—A方向，电流强度取正值；从6T到3T过程中，磁通量增加，感应电流沿A—B—C—A方向，电流强度取负值；故从t=0到3T过程中，平均电流强度为零。从3T到2T时间内，平均电流强度为12II。从t=0到2T时间内，平均电流强度RTBaIII6331312122。