谈电磁感应中感应电量的计算

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   回路中发生磁通量变化或部分导体切割磁感应线时,由于感应电场的作用使电荷发生定向移动而形成感应电流。在Δt内迁移的电量(感应电量)如何计算呢?有些题一时很难找到突破口,常常令同学们望而却步。我们知道不管用什么方式所产生的电磁感应现象,其感应电动势的大小均可由E=n■进行计算,然后结合其它知识再求电量。
   一、结合电容知识 利用Q=CUC 求电量
   例1:面积S=0.2m2、n=100匝的圆形线圈,处在如图1所示的磁场内,磁感应强度随时间t变化的规律是B=0.02t,C=30μF,线圈电阻不计,求:电容器的电荷量及a板电性。
   解析:由楞次定律知,φ变大,作为电源的线圈,其感应电动势方向为顺时针,所以充电后a板带正电,磁感应强度随时间T是均匀变化的,根据B=0.02t,可知■=0.002T/s,由E=n■得感应电动势大小为E=nS■=100×0.2×0.02=0.4V,UC=E=0.4V,Q=CUC=30×10-6×0.4C=1.2×10-5C。
   点评:若产生感应电动势的那部分导体是一个匝数为n的线圈,且穿过每匝线圈的磁通量的变化率又相同,那么须用E=n■来计算线圈所产生的总的感应电动势(相当于许多相同电源串联),一定不能漏掉匝数n。
   二、结合欧姆定律 利用Q=n■求电量
   例2:如图2所示,导线全部为裸导线,半径为r的圆内有垂直于圆平面的匀强磁场,磁感强度为B,一根长度大于2r的导线MN以速率v在圆环上无摩擦地自左端匀速滑动到右端,电路的固定电阻为R,其余电阻不计,求MN从圆环的左端滑到右端的过程中,通过电阻R上的电量。
   解析:求通过R的电量,就是计算回路中感应电流的大小问题。本题直导线MN是在圆导线上匀速滑动,粗看起来是“切割”类型要用E=BLv 求解,但导线MN切割磁感力线的有效长度在不断变化,用E=BLv难以求平均感应电动势。只能用E=n■计算平均电动势和平均电流及电量,直导线MN、圆导线和电阻R组成闭合回路,磁通量变化为Δφ=Bπr2,所用时间Δt=2r/v,根据法拉第电磁感应定律E=n■,通过电阻 R上的平均电流I=E/R=n■,通过电阻R上的电量Q=IΔt=n■=■。
   点评:解答本题时,一时无从下手,如果能换向思维,从法拉第电磁感应定律E=n■着眼,注意到感应电荷量与磁通量变化的快慢、是否均匀无关,只取决与n、R和Δφ,问题就迎刃而解。如果本题中导体棒MN从左端由静止开始匀加速运动,则在计算电量时仍如本题所解,但若求MN通过圆环中心时的瞬时电流,只许用E=BLv。
   三、注意电阻变化 巧求感应电荷量
   例3:如图3所示,夹角为45°的三角形裸导体框架AOC水平放置,导体棒MN⊥OC,且从O点开始以速率v0匀速向右运动,框架与导体棒材料相同,单位长度电阻均为r,整个框架处在竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B,求:时间t内流过导体横截面的电荷量?
   解析一:当t时刻时感应电动势E=BL v0,有效切割长度L= v0 ttan45°,故E=B v02 ttan45°,t时刻的电路总电阻R=(2 v0+■v0)rt,由欧姆定律得电流I=■=■,所以流过导体的电荷量为Q=It=■。
   解析二:当t时刻时磁通量的变化量为Δφ=BΔS=■B v0 t× v0 ttan45°=■B v20 t2, t时刻的电路总电阻为R=(2 v0+ ■v0)rt,由I =■和I=■得流过导体横截面的电荷量为Q=■=■。
   点评:读者已经注意到解一的答案是解二的两倍,到底孰对孰错呢?导体切割磁感应线的电动势E是时间t的一次函数,电路的总电阻R也是时间t的一次函数,显然电流是定值,所以解法一是正确的。解法二中公式Q=■一般适合电阻不变的情况,而此题中电路总电阻为时间的一次函数,解法二中用的是电阻的瞬时最大值,所以是错误的。试想,若把电阻也改用平均值R= ■(2 v0+ ■v0)rt,则解析二思路也是正确的。
   可见在使用物理公式时一定要明确它的来龙去脉、使用条件和适用范围,不能乱套公式、走进物理公式的误区。
  (作者单位:江苏省赣榆县海头高级中学)
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