1、 1 / 5 第四章 5 电磁感应现象的两类情况 学过楞次定律和法拉第电磁感应定律之后，我们对电磁感应现象的认识就可以深入一些了。 电磁感应现象中的感生电场 电路中电动势的作用实际上是某种非静电力对自由电荷的作用。例如，电池中电解液与两极板的化学作用使两极板分别带了正负电荷，这种化学作用就是我们所说的“非静电力”。 如图 4.5-1，一个闭合电路静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，闭合电路内产生了感应电动势。这种情况下，哪一种作用扮演了非静电力的角色？ 英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场，这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫做 感生电场（ induced e
2、lectric field） 。如果此刻空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，或者说导体中产生了感应电动势。在这种情况下，所谓的非静电力就是感生电场对自由电荷的作用。 在物理选修 3-4中，我们还会学到麦克斯韦的理论。 假定导体中的自由电荷是正电荷，它们定向运动的方向就是感应电流的方向，也就是感生电场的方向。因此实际问题中我们 常要由磁场的方向和强弱变化的情况来判断感生电场的方向，或者相反。这时就要根据楞次定律用右手螺旋定则来确定它们之间的关系。 如果感应电动势是由感生电场产生的，它也叫做“感生电动势”。 【例题】现代科学研究中常要用到高速电子，电子
3、感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。它的基本原理如图 4.5-2 所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，如果从上向下看，电子沿逆时针方向运 动。 图 4.5-1 磁场变化时产生了感应电动势，谁是非静电力？ 2 / 5 当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，电流的大小应该怎样变化才能使电子加速？ 【分析与解答】电子带负电，它在电场中受力的方向与电场方向相反。本题中电子沿逆时针方向运动，所以为使电子加速，产生的电场应沿顺时针方向。 在图 4.5-
4、2 中，磁场方向向由下向上。根据楞次定律，为使真空室中产生顺时针方向的感生电场，磁场应该由弱变强。也就是说，为使电子加速，电磁铁中的电流应该由小变大。 电磁感应现象中的洛伦兹力 导体切割磁感线的运动也会产生感应电动势。这种情况下磁场没有变化，空间没有感生电场，所以产生感应电动势的机理与上述情况有所不同。 思考与讨论 如图 4.5-3导体棒 CD 在均匀磁场中运动。 图 4.5-2 电子感应加速器 3 / 5 1自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力。导体棒中自由电荷相对于纸面的运动大致沿什么方向？为了方便，可以认为导体棒中的自由电荷是正电荷。 2导体棒一直运动下去，自由电荷是否总会沿着导
5、体棒运动？为什么？ 3导体棒哪端的电势比较高？ 4如果用导线把 C、 D 两端连到磁场外 的一个用电器上，导体棒中的电流是沿什么方向的？ 以上讨论不必考虑自由电荷的杂乱无章的热运动。 一段导线在做切割磁感线的运动时相当于一个电源，通过上面的分析可以看到，这时的非静电力与洛伦兹力有关。 在图 4.3-6 中，由于导体捧运动产生感应电动势，因而在电路中有电流通过；于是导体棒在运动过程中受到安培力的作用。不难判断，安培力的方向与推动导体棒运动的外力的方向是相反的。这时即使导体棒做匀速运动，推动力也要做功。 如果感应电动势是由于导体运动而产生的，它也叫做“动生电动势”。 问题与练习 1国庆阅兵时，我国
6、的 “飞豹 FBC-1”型歼击轰炸机在天安门上空沿水平方向自东向西呼啸而过。该机的翼展为 12.7 m，北京地区地磁场的竖直分量为 4.7 10-5 T，该机飞过天安门时的速度为声速的 0.7倍，求该机两翼尖间的电势差，哪端的电势比较高？ 2如图 4.5-4 甲， 100 匝的线圈（图中只画了 2 匝）两端 A、 B 与一个电压表相连。线圈内有指向纸内方向的磁场，线圈中的磁通量在按图乙所示规律变化。 图 4.5-3 做切割磁感线运动的导体棒 4 / 5 （ 1）电压表的读数应该等于多少？ （ 2）请在线圈位置上标出感生电场的方向。 （ 3） A、 B两端，哪端应该与电压表标号的接线柱（或红接线
7、柱）连接？ 3设图 4.5-5 中的磁感应强度 B 1 T，平行导轨宽 l 1 m，金属棒 PQ 以 1 m/s 速度贴着导轨向右运动， R 1 ，其他电阻不计。 （ 1）运动的导线会产生感应电动势，相当于电源。用电池等符号画出这个装置的等效电路图。 （ 2）通过 R 的电流方向如何？大小等于多少？ 4如图 4.5-6，单匝线圈 ABCD 在外力作用下以速度 v 向右匀速进入匀强磁场，第二次又以速度 2v 匀速进入同一匀强磁场。求： 图 4.5-4 电压表读数是多少？ 图 4.5-5 导体 PQ 向右运动 5 / 5 （ 1）第二次进入与第一次进入时线圈中电流之比； （ 2）第二次进入与第一次进入时外力做功的功率之比； （ 3）第二次进入与第一次进入时线圈中产生热量之比。 图 4.5-6 单 匝线圈在外力作用下匀速进入匀强磁场
