第3章 第1节 电磁感应现象

现在越来越多的家庭使用电磁炉来烧水、做饭。用电磁炉加热与用电阻丝加热不同，它是利用电磁感应的原理来工作的。生活和生产中利用电磁感应的地方太多了，例如日光灯的启动，录音机对声音的录、放，飞机场中检查乘客身上金属物品的安检门等，都利用了电磁感应的原理。

什么是电磁感应现象？电磁感应现象遵循什么样的规律？这一章我们就来学习这些非常重要、非常有用的知识。

第3章 第1节 电磁感应现象

自1820年发现电流的磁效应后，人们很自然地思考：既然电流能够产生磁场，反过来，磁场是不是也能产生电流呢？“磁场能不能产生电流”的疑问成为物理学家们探索的主题。英国物理学家法拉第经过10年的艰辛努力，终于发现了由磁场产生电流的条件和规律，由磁场产生电流的现象后来称为电磁感应（electromagnetic induction）现象，产生的电流叫做感应电流（induction current）。

感应电流的产生

用什么方法可以产生感应电流呢？让我们通过实验来研究。

实验一

如图3.1-1所示，把螺线管与电流表相连组成闭合电路，将磁铁插入螺线管，然后从中抽出。观察电流表。

磁铁插入螺线管时：电流表的指针_____________。

磁铁插入后不动：电流表的指针________________。

磁铁抽出时：电流表的指针____________________。

让磁铁不动，使螺线管套进磁铁，然后移去，观察电流表。

螺线管套进磁铁时：电流表的指针____________。

螺线管套进磁铁后不动：电流表的指针___________。

螺线管从磁铁处移去时：电流表的指针____________。

实验表明：当螺旋管与磁铁发生相对运动时，电流表的指针偏转，闭合电路有电流。

实验二

如图3.1-2所示，把导体AB与电流表相连组成闭合电路，使导体沿不同方向运动，观察电流表的指针是否偏转。

导体AB不动时：电流表的指针_____________。

导体AB向左运动时，电流表的指针_____________。

导体AB向右运动时电流表的指针_____________。

导体AB向上运动时电流表的指针_____________。

导体AB向下运动时电流表的指针_____________。

从导体AB与磁感线的相对运动关系看，实验现象表明：当导体AB做_________运动时，电流表的指针偏转，闭合电路有电流。

从实验二可以得出结论：当闭合电路的一部分在磁场里做切割磁感线的运动时，电路里就有电流。

这个结论是否也适用于前面的实验呢？

如图3.1-3所示，磁铁相对于螺线管运动时，螺线管的导线切割磁感线，可见，不论是导体运动，还是磁体运动，只要闭合电路的一部分在磁场里做切割磁感线的运动，电路里就有电流。

如果导体和磁体不发生相对运动，有没有办法产生感应电流呢？

实验三

如图3.1-4所示，将螺线管B与电流表相连；将螺线管A与开关和滑动变阻器串联后接到电源上。A置于B的内部。

闭合开关的瞬间：电流表的指针_____________。

闭合开关后：电流表的指针_____________。

断开开关的瞬间：电流表的指针_____________。

闭合开关后，移动滑动变阻器滑片时：电流表的指针_____________。

实验表明，如果导体与磁体不发生相对运动，也可以产生感应电流。看来，我们对产生感应电动势的条件需要做进一步的概括。为此，要学习一个新的物理量——磁通量。

磁通量

设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面（图3.1-5），磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，我们把磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个面的磁通量（magnetic flux）。如果用Ф表示磁通量，则有

Ф=BS

在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，简称韦，用符号Wb表示，1 Wb=1 T·m²。

在研究产生感应电流的方法时，我们常常关注穿过闭合电路的磁通量是否变化。实际上只要穿过闭合电路的磁感线条数发生变化，穿过这个闭合电路的磁通量就发生变化。

大家谈

可以通过什么方法改变穿过闭合电路的磁通量？

感应电流产生的条件

现在，我们可以从“磁通量变化”的角度重新审视前面的实验。

在实验一中，当螺线管与磁铁之间发生相对运动时，穿过螺线管的磁感线条数发生变化，也就是说，穿过闭合电路的磁通量发生变化（图3.1-7）。

在实验二中，其装置可以简化为图3.1-8所示的电路。磁场中的导体AB与电流计组成闭合电路ABCD。当导体AB左右移动切割磁感线时，平面ABCD的面积发生变化，通过该闭合电路的磁通量也发生变化。

在实验三中，螺线管A、B间没有相对运动，却在闭合电路中产生了感应电流，用“磁通量变化”可以做出如下解释。

当闭合（或断开）开关的瞬间，通过螺线管A的电流从无到有（或从有到无），A的磁场由0增至最大（或由最大减少为0），穿过螺线管B韵磁通量也就由0增至最大（或由最大减少为0）；当移动滑动变阻器的滑片时，由于通过螺线管A的电流发生变化，A的磁场发生相应变化，于是穿过螺线管B的磁通量也就发生了变化。

以上几个实验都证明：不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。

电磁感应同样遵循能量守恒这一自然界的普遍规律。在实验一和实验二中，当导体和磁体发生相对运动时，它们的机械能转化成电能。发电机就是根据这个原理制造的。在实验三中，电能通过变化的磁场由一个螺线管转移到另一个螺线管。变压器就是根据这个原理制造的。

大家做

观察和研究环保型手电简的结构和工作原理

图3.1-9甲是环保型手电筒的外形。环保型手电筒不需要任何化学电池作为电源，不会造成由废电池引起的环境污染。使用时只要将它来回摇晃一分钟，手电便可持续照明好几分钟。

你一定会对它的结构和工作原理感兴趣，请仔细观察图3.1-9乙所示手电筒内部结构图。

1．根据前面学过的有关电磁感应、半导体二极管单向导电、电容器储能的知识解释这种手电的工作原理。

2．从能量转换角度说明手电的发光原理。如果来回很快摇晃手电，手电发光较亮，发光时间也相对较长，根据电磁感应原理从能量转化角度解释这一现象。

问题与练习

1．在图3.1-10所示匀强磁场中有一个矩形闭合线圈，以下三种情况下线圈中是否有感应电流？为什么？

A．如图甲所示，线圈平面与磁感线垂直，线圈沿磁感线方向运动。

B．如图乙所示，线圈平面与磁感线垂直，线圈垂直于磁感线方向运动。

C．如图丙所示，线圈平面绕OO′转动。

2．如图3.1-11所示，一个导线环从条形磁铁的一极套入并下落。当它套入、在磁铁中央和落出时，环中是否有感应电流？为什么？

3．某一实验装置如图3.1-12所示，在铁芯P上绕着两个线圈A和B，如果线圈A中电流i和时间t的关系有图3.1-13所示的甲、乙、丙、丁4种情况。在t₁～t₂这段时间内，哪种情况可以在线圈B中观察到感应电流？

发布时间：2017/10/25 上午9:38:54  阅读次数：838