第 2 章 第 1 节 科学探究:感应电流的方向

例题

如图 2-5 所示,两平行金属导轨 P、Q 水平放置在匀强磁场中,磁场方向垂直于轨道平面,在两导轨之间连接一电阻 R。当一根垂直于导轨的导体棒 ab 沿着导轨向右滑动时,棒 ab 中感应电流的方向是怎样的?请说明理由。

图 2-5 导体切割磁感线运动

分析

已知磁场方向和棒 ab 运动方向,可推知穿过闭合回路的磁通量变化情况;根据楞次定律,可判断出感应电流产生的磁场的方向;运用安培定则,即可判断出闭合回路中感应电流的方向。

棒 ab 中感应电流的方向由 b 流向 a。已知原磁场的方向垂直于纸面向里,当棒 ab 向右滑动时,穿过闭合回路 abPQ 的磁通量增加。根据楞次定律可知,电路中产生的感应电流的磁场要阻碍该闭合回路中磁通量的增加,因此回路中感应电流的磁场方向与原磁场方向相反,即垂直于纸面向外。由安培定则可知,感应电流沿逆时针方向流动。

讨论

在图 2-5 中,若棒 ab 固定不动,垂直于纸面的磁场的磁感应强度增大,试分析闭合回路中感应电流的方向。

策略提炼

运用楞次定律判断感应电流方向的步骤一般为:首先明确闭合回路中引起感应电流的磁场(原磁场)的方向;然后判断穿过闭合回路原磁场磁通量的变化;再根据楞次定律判断感

应电流的磁场方向;最后运用安培定则,由感应电流的磁场方向,判断出感应电流的方向。

迁移

若棒 ab 要保持向右做匀速直线运动,外力的方向应指向哪一边?为什么?请你从能量转化和守恒的角度进行解释。

3.右手定则

若磁通量的变化是由导体切割磁感线引起的,则感应电流的方向、磁感线方向、导体运动方向三者之间有如下关系:伸开右手,让拇指与其余四指垂直,且都与手掌处于同一平面内,让磁感线垂直穿过手心,使拇指指向导体运动的方向,其余四指所指的方向就是感应电流的方向(图 2-6)。这就是右手定则(right-hand rule)。

图 2-6 右手定则示意图

右手定则可视为楞次定律在导体切割磁感线这种特殊情况下的应用。在上面的例题中,当导体 ab 向右滑动时,运用右手定则,也可判断出导体 ab 中感应电流的方向是由 b 流向 a,与用楞次定律判断的结果完全相同。

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楞次

楞次(图 2-7),俄国物理学家,1834 年被选为圣彼得堡科学院院士。曾担任圣彼得堡大学数学物理系主任。

图 2-7 楞次

1833 年,楞次总结了安培、法拉第等人的研究成果,在圣彼得堡科学院宣读了《关于用电动力学方法决定感应电流方向》的论文,提出了确定感应电流方向的定律——楞次定律。1843 年,楞次在不知道焦耳已经发现电流热效应定律(1841 年)的情况下,独立发现了这一定律。他用酒精作为传热介质并改善了实验方法,提高了实验的精度。所以,焦耳定律又被称为焦耳—楞次定律。

另外,楞次还研究并定量地比较了不同金属的电阻率及电阻率与温度间的关系。在电工技术、地球物理与电化学等方面,他也做了大量的工作。

节练习

1.请撰写“探究影响感应电流方向的因素”的实验报告。注意在报告中呈现数据分析过程及实验结论,并根据实验中的问题提出改进措施。

参考解答:略

 

2.一平面线圈用细杆悬于 P 点,开始时细杆处于水平位置,释放后让它在如图所示的匀强磁场中运动。已知线圈平面始终与纸面垂直,当线圈第一次通过位置 Ⅰ 和位置 Ⅱ 时,顺着磁场的方向看去,线圈中感应电流的方向是怎样的?

参考解答:先逆时针方向,再顺时针方向。

 

3.法拉第圆盘发电机如图所示。半径为 r 的导体圆盘绕竖直轴以角速度 ω 旋转,匀强磁场 B 竖直向上,两电刷分别与圆盘中心轴和边缘接触,电刷间接有阻值为 R 的电阻。分析该发电机的工作原理,并确定流过电阻的电流方向。

参考解答:两个电刷、竖直轴、导体 圆盘、导线、电阻构成一个闭合回路,导体圆盘可以看成是以中心向边缘的许多辐射状的导体棒。由于导体圆盘处于磁场中,当其旋转时,可看作导体棒在切割磁感线,相当于一个电源,闭合回路有感应电流产生。由右手定则可判断流过 R 的电流方向为由 b 到 a。

 

4.某人拟运用电磁感应的知识,通过实验寻找磁单极子。该实验仪器的主要部分是由超导体制成的如图所示的线圈。若有一磁单极子从上往下穿过超导线圈,则在超导线圈中将产生感应电流。关于感应电流方向,下列说法正确的是

A.磁单极子穿过超导线圈的过程中,线圈中感应电流的方向要变化

B.N 磁单极子与 S 磁单极子分别穿过超导线圈的过程中,线圈中感应电流的方向相同

C.磁单极子穿过超导线圈的过程中,线圈中感应电流的方向不变

D.磁单极子穿过超导线圈的过程中,从上向下看,线圈中感应电流的方向始终为顺时针

参考解答:C

 

5.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺寸上的形貌。如图所示,为了有效隔离外界振动对 STM 的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场。出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是

参考解答:A

 

6.某同学利用电磁驱动原理研究弹射问题。如图所示,当固定线圈上突然通过直流电流时,线圈左侧的金属环被弹射出去。下列说法正确的是

A.闭合开关 S 的瞬间,从右侧看,环中产生沿逆时针方向的感应电流

B.若金属环固定,开关闭合瞬间,环将有扩张趋势

C.若将金属环置于线圈的右侧,环将向右弹射

D.若将电池正、负极调换,金属环不能向左弹射

参考解答:C

 

7.如图所示,在一根较长的铁钉上,用漆包线绕出两个线圈 A 和 B。将线圈 B 的两端与漆包线 CD 相连,使 CD 平放在静止的小磁针的正上方,与小磁针平行。试判断开关闭合的瞬间,小磁针 N 极的偏转情况,并用实验检验你的判断。

参考解答:向纸内偏转。


发布时间:2022/8/28 16:31:05  阅读次数:542

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