第11章---电磁感应

第十一章电磁感应11.1探索电磁感应现象一、划时代的发现二、电磁感应现象一、划时代的发现奥斯特在1820年发现的电流磁效应，震动了整个科学界受，它证实电现象与磁现象是有联系的。既然电流能够引起磁针的运动，那么能不能用磁铁使导线中产生电流？英国科学家法拉第为此进行了长达10年的艰辛探索。法拉第用过的线圈1831年法拉第终于发现了电磁感应现象：把两个线圈绕在一个铁环上，一个线圈接电流，另一个线圈接“电流表”，当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流。二、电磁感应现象我们在初中学过，闭合电路的一部分在磁场中做切割磁感应线运动时，导体中就产生电流。物理学中把这类现象叫做电磁感应，由电磁感应产生的电流叫做感应电流。实验1如下图所示，把导体AB和电流表连接起来组成闭合电路，将导体AB在磁场中向左或向右运动时，电流表指针偏转。实验2如下图所示，把磁铁插入螺线管；或者从螺线管里拔出来；或者保持磁铁不动，移动螺线管；显示电流表指针偏转情况。实验表明：不论是导体运动，还是磁体运动，只要闭合电路的一部分导体切割磁感应线，电路中就有电流产生。实验2如下图所示，把螺线管B套在螺线管A的外面，螺线管B的两端接到电流表。合上开关；或者打开开关；或者改变电路中的电阻，显示电流表指针偏转情况。实验表明：即使导体和磁体不发生相对运动，只要闭合电路中的磁场发生变化，电路中也有电流产生。由实验知道：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生。例题1如右图所示，有一个闭合线圈abcd，处在很大的匀强磁场中，在下列哪种情况中，线圈中有感应电流产生？A．当向右做匀速直线运动时；B．当向右做匀加速直线运动时；C．当向纸外平移时；D．当绕ab边向纸面里做匀速转动时分析要判断线圈中有无感应电流产生，应根据感应电流产生的条件，分析闭合线圈中磁通量的变化情况。当线圈向右做匀速直线运动或做匀加速直线运动或向纸外平移时，在任意时刻穿过线圈的磁通量都没有发生变化，线圈中都没有感应电流产生。当线圈绕ab边向纸面里做匀速转动时，线圈垂直于磁场的面积减少了，即穿过闭合线圈的磁通量减少了，这时有感应电流产生。例题2如下图所示，一环形铁芯上绕有两线圈A、B，线圈B与电流计连接成闭合电路，线圈A与开关S及电源连接成闭合电路。在合上开关S的一瞬间、合上开关S一段时间后及断开开关的一瞬间等三种情况下，试分别判断电流表指针是否偏转分析判断线圈B中有无感应电流，关键是判断线圈B中磁通有无变化。.合上（或断开）开关S的一瞬间，线圈A中有电流通过并产生磁场。由于环形铁芯的导磁作用，使得线圈B中的磁通量从无（有）到有（无），急剧增大（减小），所以线圈B中产生感应电流，电流表指针发生偏转。合上开关S一段时间后，线圈A中的电流恒定不变，环形铁芯中由线圈A的电流所产生的磁通恒定不变。这样，穿过线圈B的磁通量也保持不变，所以线圈B中没有感应电流，电流表指针不发生偏转。体验与探索磁场中有一个闭合的弹簧线圈。先把线圈撑开（图甲）然后放手，让线圈收缩（图乙）。请思考一下，线圈收缩时，其中是否有感应电流？为什么？甲乙11.2法拉第电磁感应定律一、感应电动势二、法拉第电磁感应定律三、单根导体中的感应电动势一、感应电动势我们把在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。感应电动势产生于运动导体或线圈。闭合回路中，这些运动导体或线圈相当于电源。感应电动势大小跟什么因素有关呢？二、法拉第电磁感应定律实验1在本章演示文稿第4页实验1中，改变导体AB切割磁感应线的速度，观察电流表指针偏转情况。实验2在本章演示文稿第4页实验2中，改变磁铁运动的快慢，观察电流表指针偏转情况。实验表明：感应电动势的大小与磁通量变化的快慢有关。磁通量的变化率：磁通量变化量跟所用时间的比值。电路中感应电动势的大小与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。公式为：其中：k为比例常数，为磁通量的变化率。对一匝线圈电路，感应电动势为：对n匝线圈电路：感应电动势为例题在一个B=0.01T的匀强弱场中，放一个面积为0.001m2的线圈，其匝数为500匝。在0.1s内把线圈平面从平行于磁感线的方向转过90°，变为与磁感线的方向垂直。求感应电动势的平均值。分析求解感应电动势，关键要求出磁通变化率。解当线圈平面垂直于磁感线的方向时，穿过线圈的磁通量为Φ=BS=0.01×0.001Wb=1×10-5Wb当线圈平面平行于磁感线的方向时，穿过线圈的磁通量等于零。在0.1s内穿过线圈的磁通变化率为由法拉第电磁感应定律得在右图所示的匀强磁场中，设磁感应强度为B，有一个矩形线框abcd放在这个磁场里，它的平面与磁感应线垂直，导线ab的长度为L，它在与磁感应线垂直的方向上以速度v向右运动。利用法拉第电磁感应定律可以推导出如下结论：当磁感应强度、导线、导线的运动方向三者相互垂直时，产生的感应电动势的大小等于磁感应强度、导线长度、导线运动速度三者的乘积。用公式表示为：E=BLv在国际单位制中，上式中E、B、L、v的单位分别是伏特（V）、特斯拉（T）、米（m）、米每秒（m/s）。三、单根导体中的感应电动势例题1在B=0.10T的匀强磁场中，一长为L=0.40m的导体以v=5.0m/s的速度做切割磁感应线的运动。如果B，L，v互相垂直，导体和外电路连成闭合回路，总电阻R=0.50，求导体中的感应电动势和感应电流。分析首先利用公式E=BLv，求出感应电动势E。然后，再根据给出的总电阻R，利用欧姆定律就可以计算感应电流。解因B，L，v互相垂直，由法拉第电磁感应定律得E=BLv=0.10×0.40×5.0V=0.20V伸开右手，让拇指与其余四指垂直，并且在同一平面内，让磁感应线垂直穿入手心，拇指指向导体运动方向，其余四指指的就是感应电流的方向。这就是右手定则。例题2试用右手定则判断下列导体中的感应电流方向。体验与探索1831年，法拉第在一次会议上展示了他发明的圆盘发电机（右图）。这个圆盘发电机的铜盘安装在水平的铜轴上，它的边缘正好在两磁极之间，两块铜片C、D分别于转动轴和铜盘的边缘接触。使铜盘转动，电阻R中就有电流通过。同学们能否模仿法拉第圆盘发电机实验，动手做一做？并说明圆盘发电机的原理。