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电磁感应现象中的电动势根据产生的机理不同分为感生电动势和动生电动势两类。关于动生电动势和感生电动势的判断、计算十分重要,由于对感生和动生的物理本质理解不深,所以学生在学习过程中感到很模糊,总认为磁通量变化的就是感生,切割磁感线类的就是动生。其实不管什么原因,只要产生电动势,磁通量变化是必然的。如果回路的面积是固定的,因为磁场的变化激发的感生电场使回路中产生的电动势叫感生电动势;如果磁场恒定,在外力的作用下让导体棒切割磁感线,由于洛伦兹力的原因导体两端产生的电动势叫动生电动势。我们研究两个实例,突破感生电动势和动生电动势的判断、计算。
例1:如下图所示,水平面上两根光滑、平行、不计电阻的导轨,左侧连接有电阻为R的定值电阻,电阻为r的导体棒ab放在导轨上,与左侧电阻形成一个边长为L的正方形。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B。
(1)导体棒固定于导轨上,磁感应强度B=B+kt(k>0),问t时刻电阻R的功率是多少?
(2)磁场B=B0恒定,导体棒以速度V0向右匀速运动,问外力F=?
(3)若磁场B=B0+kt(k>0)均匀增大,并且导体棒在外力作用下以速度V0向右匀速运动,问t时刻导体棒克服安培力做功的功率多大?
(4)若导体棒以速度V0向右匀速运动,问磁场怎么变化才能使得流过电阻R的电流等于零?
这是一道很常见的习题,它系统地考察了动生和感生电动势的判断和计算,解析如下:
(1)很明显,只有磁感应强度均匀增大(导致磁通量增大)而引起的感生电动势,即整个电路上的电动势E=L2K,电路中的电流I=L2K/(R+r),则电阻R的功率为:P=L4K2R/(R+r)2。
(2)B=B0恒定,回路中没有感生电场,即没有感生电动势,只有动生电动势E=BLV0,电路中电流I=BLV0/(R+r),外力等于安培力即F=ILB0=B2L2V0/(R+r)。
(3)在任意时刻t,我们知道磁感应强度应该为:Bt=B0+kt,即使导体静止不切割磁感线,电路中也会有感生电动势;导体以V0向右匀速切割磁感线,电路中也一定会有动生电动势。那么,同学们就要分析一下,这两种原因引起的电动势在电路中的方向是相同的还是相反的,如果方向是相同的,那么电路中的总电动势就是两种电动势的代数和;如果方向是相反的,那么电路中的总电动势就是两种电动势的代数差,并且方向与较大的电动势方向相同。这两种电动势在电路中的作用是等效的,只不过就是引起的原因不同罢了。本题中两种原因引起的电动势方向显然是相同的,所以电路中的总电动势为:E=L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0;
电路中的电流为:I=[L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0]/(R+r);
导体棒受到的安培力为:F=[L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0]L(B0+kt)/(R+r);
克服安培力做功的功率为:P=[L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0]L(B0+kt)V0/(R+r)。
(4)导体棒向右匀速运动切割磁感线产生动生电动势,那么只有让感生电动势的大小与之相等、方向与之相反才能使得整个电路上的电动势等于零。不管动生还是感生本质是闭合电路中磁通量有变化,电路中才有感应电流。导体棒向右运动要使回路面积增大,我们只有让磁感应强度减小才能保证回路中的磁通量不变,即B0L2=Bt(L+V0t)L,得:Bt=B0L/(L+V0t).
例2:如下图所示,水平面上两根光滑、平行、不计电阻的导轨,宽度为L;左侧连接有电阻为R的定值电阻,电阻为r的导体棒ab放在导轨上,与导轨接触良好。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度沿X轴正方向逐渐减小Bx=B0/x,t=0时刻导体棒从X轴坐标原点出发以速度V0匀速向右运动,问任意时刻t电阻R的发热功率?
解析:很多同学认为该情形中既有动生又有感生电动势,其实本题中磁场虽然不是匀强磁场,但磁场是稳定的,引起磁通量变化的原因只有一个,那就是导体棒的切割磁感线运动。设想,如果导体棒不运动,那么回路中的磁通量应该是个定值。所以t时刻电路电动势为:E=BxLV0,电阻R的功率为:P=B02L2V02R/[V02t2(R+r)2].
从以上两个例子可以看出,动生和感生电动势的判断和计算虽然比较复杂、抽象,只要我们抓住现象的本质,再复杂的问题也能迎刃而解。
例1:如下图所示,水平面上两根光滑、平行、不计电阻的导轨,左侧连接有电阻为R的定值电阻,电阻为r的导体棒ab放在导轨上,与左侧电阻形成一个边长为L的正方形。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B。
(1)导体棒固定于导轨上,磁感应强度B=B+kt(k>0),问t时刻电阻R的功率是多少?
(2)磁场B=B0恒定,导体棒以速度V0向右匀速运动,问外力F=?
(3)若磁场B=B0+kt(k>0)均匀增大,并且导体棒在外力作用下以速度V0向右匀速运动,问t时刻导体棒克服安培力做功的功率多大?
(4)若导体棒以速度V0向右匀速运动,问磁场怎么变化才能使得流过电阻R的电流等于零?
这是一道很常见的习题,它系统地考察了动生和感生电动势的判断和计算,解析如下:
(1)很明显,只有磁感应强度均匀增大(导致磁通量增大)而引起的感生电动势,即整个电路上的电动势E=L2K,电路中的电流I=L2K/(R+r),则电阻R的功率为:P=L4K2R/(R+r)2。
(2)B=B0恒定,回路中没有感生电场,即没有感生电动势,只有动生电动势E=BLV0,电路中电流I=BLV0/(R+r),外力等于安培力即F=ILB0=B2L2V0/(R+r)。
(3)在任意时刻t,我们知道磁感应强度应该为:Bt=B0+kt,即使导体静止不切割磁感线,电路中也会有感生电动势;导体以V0向右匀速切割磁感线,电路中也一定会有动生电动势。那么,同学们就要分析一下,这两种原因引起的电动势在电路中的方向是相同的还是相反的,如果方向是相同的,那么电路中的总电动势就是两种电动势的代数和;如果方向是相反的,那么电路中的总电动势就是两种电动势的代数差,并且方向与较大的电动势方向相同。这两种电动势在电路中的作用是等效的,只不过就是引起的原因不同罢了。本题中两种原因引起的电动势方向显然是相同的,所以电路中的总电动势为:E=L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0;
电路中的电流为:I=[L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0]/(R+r);
导体棒受到的安培力为:F=[L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0]L(B0+kt)/(R+r);
克服安培力做功的功率为:P=[L(L+V0t)K+(B0+kt)LV0]L(B0+kt)V0/(R+r)。
(4)导体棒向右匀速运动切割磁感线产生动生电动势,那么只有让感生电动势的大小与之相等、方向与之相反才能使得整个电路上的电动势等于零。不管动生还是感生本质是闭合电路中磁通量有变化,电路中才有感应电流。导体棒向右运动要使回路面积增大,我们只有让磁感应强度减小才能保证回路中的磁通量不变,即B0L2=Bt(L+V0t)L,得:Bt=B0L/(L+V0t).
例2:如下图所示,水平面上两根光滑、平行、不计电阻的导轨,宽度为L;左侧连接有电阻为R的定值电阻,电阻为r的导体棒ab放在导轨上,与导轨接触良好。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度沿X轴正方向逐渐减小Bx=B0/x,t=0时刻导体棒从X轴坐标原点出发以速度V0匀速向右运动,问任意时刻t电阻R的发热功率?
解析:很多同学认为该情形中既有动生又有感生电动势,其实本题中磁场虽然不是匀强磁场,但磁场是稳定的,引起磁通量变化的原因只有一个,那就是导体棒的切割磁感线运动。设想,如果导体棒不运动,那么回路中的磁通量应该是个定值。所以t时刻电路电动势为:E=BxLV0,电阻R的功率为:P=B02L2V02R/[V02t2(R+r)2].
从以上两个例子可以看出,动生和感生电动势的判断和计算虽然比较复杂、抽象,只要我们抓住现象的本质,再复杂的问题也能迎刃而解。