电磁感应
产生电磁感应现象有感生电动势和动生电动势两类问题。
感生电场
19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出:变化的磁场在周围空间激发电场,我们把这种电场叫感生电场.
感生电动势
由感生电场使导体产生的电动势叫感生电动势。
(1)产生
如图所示,当磁场变化时,产生感生电场,感生电场的电场线是与磁场垂直的曲线。如果空间存在闭合导体,导体中的自由电荷就会在电场力作用下定向移动而产生感应电流,或者说导体中产生了感生电动。
(2)方向:
闭合环形回路(可假定存在)的电流方向就是感生电动势的方向,根据楞次定律和右手定则确定。
(3)作用
感生电动势在电路中的作用就是充当电源,其电路就是内电路,当它与外电路连接后就会对外电路供电。
变化的磁场在闭合导体所在空间产生电场,导体内自由电荷在电场力作用下产生感应电流,或者说导体中产生了感应电动势。由此可见,感生电场就相当于电源内部的所谓的非静电力,对电荷产生力的作用。
动生电动势
1.动生电动势:
导体在磁场中做切割磁感线运动时产生的电动势。
2.产生原因
导体在磁场中做切割磁感线运动时,产生动生电动势,它是由于导体中自由电子受到洛伦兹力作用引起的.使自由电子做定向移动的非静电力就是洛伦兹力。
如图所示,一条直导线CD在匀强磁场B中以速度v向右运动,并且导线CD与B、v的方向互相垂直。
由于导体中的自由电子随导体一起以速度v运动,因此每个电子受到的洛伦兹力为F=evB, F的方向竖直向下,在F的作用下自由电子沿导体向下运动,使导体下端出现过剩的负电荷,导体上端出现过剩的正电荷,结果是C端的电势高于D端的电势,出现由C端指向D端的静电场,此电场对电子的作用力F′是向上的,与洛伦兹力的方向相反。
随着导体两端正、负电荷的积累,场强不断增强,当作用到自由电子上的静电力与洛伦兹力互相平衡时,C、D两端便产生了一个稳定的电势差。
总之:洛伦兹力是产生动生电动势的原因,即洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力。
动生电动势与感生电动势的区别与联系
1.相当于电源的部分区别
由于导体运动而产生电动势时,运动部分的导体相当于电源;
由于磁场变化产生感应电动势时,磁场穿过的线圈部分相当于电源。
2.ΔΦ的含义不同
导体运动产生的电动势,ΔΦ是由于导体线框本身的面积发生变化而产生的,所以ΔΦ=B·ΔS;
感生电动势,ΔΦ是由于磁场发生变化而引起的,即ΔB引起的,所以ΔΦ=SΔB
3.动生电动势和感生电动势具有的相对性
动生电动势和感生电动势的划分,在某些情况下只有相对意义.将条形磁铁插入线圈中,如果在相对于磁铁静止的参考系内观察,磁铁不动,空间各点的磁性也没有发生变化,而线圈在运动,线圈中的电动势是动生的;
但是,如果在相对于线圈静止的参考系内观察,则看到磁铁在运动,引起空间磁场发生变化,因而,线圈中的电动势又是感生的.在这种情况下,究竟把电动势看做是动生的还是感生的,决定于观察者所在参考系。
习题演练
1. 如图所示,内壁光滑、水平放置的玻璃圆管内,有一直径略小于圆管直径的带正电的小球,以速率v0沿逆时针方向匀速转动,若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场.设运动过程中小球带电荷量不变,那么( )
A 小球对玻璃圆管的压力一定不断增大
B 小球所受的磁场力一定不断增大
C 小球先沿逆时针方向减速运动,过一段时间后沿顺时针方向加速运动
D 磁场力对小球一直不做功
2. 如图所示装置中,cd杆原来静止.当ab杆做如下哪些运动时,cd杆将向右移动()
A 向右匀速运动
B 向右加速运动
C 向左加速运动
D 向左减速运动
习题解析
1.CD
解析:变化的磁场将产生感生电场,这种感生电场由于其电场线是闭合的,也称为涡旋电场,其场强方向可借助电磁感应现象中感应电流方向的判定方法,使用楞次定律判断。
当磁场增强时,会产生顺时针方向的涡旋电场,电场力先对小球做负功使其速度减为零,后对小球做正功使其沿顺时针方向做加速运动,所以C正确;磁场力始终与小球运动方向垂直.因此始终对小球不做功,D正确;
2.BD
解析:ab匀速运动时,ab中感应电流恒定,L1中磁通量不变,穿过L2的磁通量不变化,L2中无感应电流产生,cd保持静止,A不正确;ab向右加速运动时,L2中的磁通量向下,增大,通过cd的电流方向向下,cd向右移动,B正确;同理可得C不正确,D正确.