第十三章 3 电磁感应现象及应用

问题

我们知道,闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中就会产生感应电流。那么,切割磁感线是产生感应电流的唯一方法吗?还有其他方法吗?这些方法有什么内在联系?

本节题图

划时代的发现

奥斯特发现的电流的磁效应,震动了整个科学界,它证实电现象与磁现象是有联系的。有关电与磁关系的崭新研究领域洞开在人们面前,激发了科学家们的探索热情。人们从电流磁效应的对称性角度,开始思考如下的问题:既然电流能够引起磁针的运动,那么,为什么不能用磁体使导线中产生电流呢?

人们早就认识了磁化现象,知道磁体能使附近的铁棒产生磁性,带电体能在导体上感应出电荷。联系到电流的磁效应,法拉第敏锐地觉察到,磁与电之间也应该有这种“感应”。他在1822年的日记中写下了“由磁产生电”的设想,并为此进行了长达10年的探索。最初,法拉第认为,很强的磁体或很强的电流可能会在邻近的闭合导线中感应出电流。他进行了很多次尝试,经历了一次次失败,都没有得到预想的结果。1831年,法拉第把两个线圈绕在一个铁环上(图13.3-1),一个线圈接电源,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。他在1831年8月29日的日记中写下了首次成功的记录。

图13.3-1
图13.3-1 法拉第用过的线圈

法拉第对科学的热爱以及对科学研究持之以恒、坚韧不拔的态度是他获得巨大成就的重要原因之一。

法拉第从中领悟到,“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。于是,他又设计并动手做了几十个实验,使深藏不露的各种“磁生电”的现象显现而出。他把这些现象定名为电磁感应(electromagnetic induction),产生的电流叫作感应电流(induction current)

电磁感应的发现使人们对电与磁内在联系的认识更加深入,宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。当初奥斯特发现电流的磁效应时,法拉第曾赞扬道:“它突然打开了科学中一个黑暗领域的大门,使其充满光明。”公正地说,法拉第与奥斯特应该共享这样的荣誉。

产生感应电流的条件

思考与讨论

探究感应电流产生的条件

为了便于分析产生感应电流的条件,我们把“问题”栏目中的实验装置图画成如图13.3-2所示的示意图。

金属棒AB静止时,电路中没有感应电流产生;AB沿着磁感线运动时,电路中也没有感应电流;只有AB切割磁感线时才产生感应电流。AB切割磁感线时,磁场没有变化,变化的只有电路ABCD的面积。那么,与磁场相关的哪个物理量发生了变化呢?

图13.3-2
图13.3-2 装置示意图

闭合电路ABCD的面积发生了变化,也就是说,穿过电路ABCD的磁通量发生了变化。感应电流的产生是否与磁通量的变化有关呢?下面我们通过实验来研究这个问题。

实验

探究感应电流产生的条件

如图13.3-3,线圈A通过变阻器和开关连接到电源上,线圈B的两端连接到电流表上,把线圈A装在线圈B的里面。观察下面几种情况下线圈B中是否有电流产生。

图13.3-3
图13.3-3 实验装置

开关和变阻器的状态

线圈B中是否有电流

开关闭合瞬间

 

开关断开瞬间

 

开关闭合时,滑动变阻器不动

 

开关闭合时,迅速移动滑动变阻器的滑片

 

请你根据实验现象总结,什么情况下闭合导体回路中产生感应电流。


在上面的实验中,由于迅速移动滑动变阻器的滑片(或由于开关的闭合、断开),线圈A中的电流迅速变化,产生的磁场的强弱也在迅速变化(图13.3-4),又由于两个线圈套在一起,所以线圈 B 内的磁场强弱也在迅速变化。这种情况下,穿过线圈 B 的磁通量也发生了变化,线圈B中有感应电流。

图13.3-4
图13.3-4 线圈A中电流产生的磁场

以上实验及其他事实表明:当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时,闭合导体回路中就产生感应电流。这就是产生感应电流的条件。

电磁感应现象的应用

1831年圣诞节前夕,一次科学报告会上,法拉第当众表演了一个实验。一个铜盘的轴和铜盘的边缘分别连在“电流表”的两端。法拉第摇动手柄使铜盘在磁极之间旋转,“电流表”的指针随之摆动。这是最早的发电机(图13.3-5)。当时在场的一位贵妇人取笑地问:“先生,您发明的这个东西有什么用呢?”法拉第平静地反问:“夫人,新生的婴儿又有什么用呢?”

图13.3-5
图13.3-5 法拉第的圆盘

后来,根据电磁感应现象制造的最早的发电机这个新生的“婴儿”,果然成长为电厂里巨大的发电机这一改变世界面貌的“巨人”(图13.3-6),它开辟了人类社会的电气化时代。

图13.3-6
图13.3-6 三峡电站一台发电机的转子

生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等也是根据电磁感应制造的。

STSE

法拉第与电气化时代

法拉第出生于英国的一个铁匠家庭,曾经在一家书店当过学徒。他利用这个条件,读了很多科学书籍,从中获得了丰富的知识。他喜欢做实验,还积极参加科学报告会。1813年,22岁的法拉第毛遂自荐,成了著名化学家戴维的助理实验员。

法拉第生活的时代,正值第一次产业革命完成。蒸汽机的普遍应用催生了资本主义大工业,人类进入了工业文明时期,而电力应用的前景已初见端倪。这是一个需要巨人并产生巨人的时代,法拉第生逢其时。当时的英国走在科学技术和工业发展的前列。法拉第看到,伏打电池昂贵、产生的电流小,而自然界中有不少天然磁石。如果可以由磁产生电流,就能获得廉价的电力。他说:“我因为对当时产生电的方法感到不满意,因此急于发现磁与感应电流的关系,觉得电学在这条路上一定可以充分发展。”

在10年的探索中,法拉第遭遇了多次失败。在他当年的日记中 “未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语,记录着艰苦的探索历程。法拉第在晚年曾感叹:“世人何尝知道,在那些流过科学家头脑的思想和理论中,有多少被他们自己严格的批判和无情的质疑消灭了。就是最有成就的科学家,得以实现的建议、猜想、愿望和初步判断,也不到十分之一。”

法拉第发现电磁感应现象,是与他坚信各种自然现象是相互关联的,各种自然力是统一的、可以互相转化的思想相关的。他还认为电磁相互作用是通过介质来传递的,并把这种介质叫作“场”,他还以惊人的想象力创造性地用“力线”(即现代物理学中的“磁感线”)形象地描述“场”的物理图景。

法拉第鄙视金钱、地位和权势。他谦虚、朴实、安于清贫,谢绝了皇家学会会长、皇家研究院院长、伦敦大学教授等职位和头衔,也不肯接受贵族爵位。

1867年8月25日,法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。法拉第把一生献给了科学事业。生活在电气化时代的我们,应该永远缅怀法拉第。

练习与应用

1.图13.3-7所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框。在下列几种情况下,线框中是否产生感应电流?

(1)保持线框平面始终与磁感线垂直,线框在磁场中上下运动(图13.3-7甲)。

(2)保持线框平面始终与磁感线垂直,线框在磁场中左右运动(图13.3-7乙)。

(3)线框绕轴线转动(图13.3-7丙)。

图13.3-7
图13.3-7

2.磁场中有一个闭合的弹簧线圈。先把线圈撑开(图 13.3-8 甲),然后放手,让线圈收缩(图13.3-8 乙)。线圈收缩时,其中是否有感应电流?为什么?

图13.3-8
图13.3-8

3.如图13.3-9,垂直于纸面的匀强磁场局限在虚线框内,闭合线圈由位置1穿过虚线框运动到位置2。线圈在运动过程中什么时候有感应电流,什么时候没有感应电流?为什么?

图13.3-9
图13.3-9

4.矩形线圈ABCD位于通电长直导线附近(图13.3-10),线圈与导线在同一平面内,线圈的两个边与导线平行。在这个平面内,线圈远离导线移动时,线圈中有没有感应电流?线圈和导线都不动,当导线中的电流I逐渐增大或减小时,线圈中有没有感应电流?为什么?

图13.3-10
图13.3-10

注意:长直导线中电流越大,它产生的磁场越强;离长直导线越远,它的磁场越弱。

5.把一个铜环放在匀强磁场中,使铜环的平面跟磁场方向垂直(图13.3-11甲)。如果使铜环沿着磁场的方向移动,其中是否有感应电流?为什么?如果磁场是不均匀的(图13.3-11乙),是否有感应电流?为什么?

图13.3-11
图13.3-11

6.某实验装置如图13.3-12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与时间t的关系有图13.3-13所示的甲、乙、丙、丁四种情况,那么在t1t2这段时间内,哪种情况可以观察到线圈B中有感应电流?

图13.3-12
图13.3-12
图13.3-13
图13.3-13
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发布时间:2019-11-28 20:57:31  阅读次数:54

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