第一节 电磁感应现象
在奥斯特发现电流的磁效应以后,人们自然想到: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?最容易产生的设想是把导线绕在磁铁上,导线两端接上电流表,构成一个闭合电路,看看能不能产生电流,法拉第就是这样开始来研究的,结果发现电流表的指针并不偏转,换用强的电磁铁,或者换用更灵敏的电流表,结果还是一样,没有电流,怎样才能获得电流呢?下面用实验来研究这个问题。
实验一
如图 2–1 所示,如果让导体 AB 在磁场中向左或向右运动,电流表的指针就发生偏转,表明电路中有了电流。导体 AB 停下来,电流也就消失了。这就是说,闭合电路的一部分导体相对于磁场运动时,电路中就有电流产生。但是,如果让导体 AB 在磁场中向上或向下运动,电路中却不产生电流。怎样分析上述现象呢?我们知道,磁场可以用磁力线形象地表示出来,有了磁力线的概念,就容易分析上述现象了。导体 AB 向左或向右运动时切割磁力线,向上或向下运动时不切割磁力线。可见,闭合电路的一部分导体做切割磁力线的运动时,电路中才有电流产生。
图 2–1
在这个实验中,导体 AB 运动,如果导体不动,让磁场运动,会不会在电路中产生电流呢?让我们做下面的实验。
实验二
如图 2–2 所示,把一个磁铁插入螺线管,或者从螺线管里拿出来,可以看到,磁铁相对于螺线管运动的时候,电流表的指针发生偏转,表明螺线管电路中有了电流。如果保持磁铁在螺线管中不动,或者让二者以同一速度运动,即保持相对静止,螺线管中就没有电流了。在这个实验中,磁铁相对于螺线管运动时,螺线管的导线切割磁力线。可见,不论是导体运动,还是磁场运动,只要闭合电路的一部分导体切割磁力线,电路中就有电流产生。
图 2–2
闭合电路的一部分导体切割磁力线时,穿过闭合电路的磁力线条数发生变化。由此提示我们:如果导体和磁场不发生相对运动,而让穿过闭合电路的磁场发生变化,会不会在电路中产生电流呢?为了研究这个问题,我们做下面的实验。
实验三
如图 2–3 所示,把螺线管 B 套在螺线管 A 的外面,合上电键给螺线管 A 通电时,电流表的指针发生偏转,螺线管 B 中有了电流。当螺线管 A 中的电流达到稳定时,螺线管 B 中的电流消失,打开电键使螺线管 A 断电时,螺线管 B 中也有电流产生,如果用变阻器来改变电路中的电阻,使螺线管 A 中的电流强度发生变化,螺线管 B 中也有电流产生。在这个实验中,螺线管 B 处在螺线管 A 的磁场中,当 A 通电和断电时,或者使 A 中的电流强度发生变化时,A 的磁场随着发生变化。因此,这个实验表明:在导体和磁场不发生相对运动的情况下,只要闭合电路中的磁场发生变化,因而穿过闭合电路的磁力线条数发生变化,闭合电路中就有电流产生。
图 2–3
结论
不论是闭合电路的一部分导体做切割磁力线的运动,还是闭合电路中的磁场发生变化,穿过闭合电路的磁力线条数都发生变化,这时闭合电路中就有电流产生,我们在前一章学过磁通量的概念,磁通量表示的就是穿过某个面的磁力线条数,这样,利用磁通量的概念,我们就可以总结出如下的结论:
不论用什么方法,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有电流产生。这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应,产生的电流叫做感生电流。
电磁感应现象是法拉第经过十多年的实验研究,在 1831 年发现的。这一重大发现进一步揭示了电和磁的密切联系,为后来麦克斯韦建立完整的电磁理论莫定了基础,根据这一发现后来发明了发电机、变压器等电器设备,开辟了电能在生产和生活中广泛应用的途径。
阅读材料:法拉第电磁感应的发现
1820 年奥斯特发现了电流的磁效应后,法拉第仔细地分析了电流的磁效应,他认为,既然磁铁可以使靠近它的铁块具有磁性,静电荷可以使靠近它的导体带电,那么电流也应当使靠近它的线圈感生出电流。1822 年法拉第在日记中记载着“把磁转变成电”的光辉思想。后来法拉第对这一课题进行了系统的实验研究。
开始,法拉第认为:用强磁铁靠近导线,导线中就会产生稳恒电流。法拉第企图用实验证实这个设想,结果未获成功。但法拉第不怕困难,顽强奋战了十年,终于取得了重大突破,1831 年发现了电磁感应现象。
1831 年 8 月法拉第把两个线圈绕在一个铁环上(图 2–4),线圈 A 接直流电源,线圈 B 接电流表,他发现,当线圈 A 中的电流接通或断开时,线圈 B 中就产生瞬时电流。法拉第发现,铁环并不是必须的,拿走铁环,再做这个实验,电磁感应现象仍然发生,只是线圈中的电流弱些。
图 2–4
法拉第怎样分析他的实验呢?他的思路大致如下:
第一,线圈 B 除了处在通电线圈 A 的磁场中,同 A 没有别的联系,所以B 的感生电流只能由 A 的磁场引起,这正是他探寻了十年的磁生电的现象。
第二,A 中电流稳定因而周围磁场稳定时,B 中没有感生电流,表明稳定的磁场不引起感生电流;只有当 A 通电或断电,它的电流变化因而周围磁场变化时,B 中才有感生电流,表明变化的磁场才能引起感生电流。
第三,磁场可以由磁力线形象地描绘,B 所在处的磁场变化,也就是穿过线圈 B 的磁力线条数变化,即磁通量发生变化。
所以,感生电流的产生条件,可以归结为穿过线圈的磁通量变化。
为了透彻研究电磁感应现象,法拉第还做了许多其他实验,1831 年 11 月法拉第在所写的论文中把产生感生电流概括为五种情况:变化着的电流;变化着的磁场;运动的稳恒电流;运动的磁铁;在磁场中运动的导体,法拉第按照他的力线理论把产生感生电流的条件归结为:变化的磁力线能使导体中产生感生电流。
练习一
(1)如图 2–5 所示,在磁场中有一个闭合的弹簧线圈,当图甲中人的双手离开后,线圈收缩(图乙),线圈收缩时,其中是否有感生电流?为什么?
图 2–5
(2)在图 2–6 所示的匀强磁场中有一个线圈板,线圈平面垂直于磁力线,当线圈框在磁场中上下通动对,是否会在线圈框中引起感生电流?当线圈框在磁场中左右运动时,是否会在线圈框中引起感生电流?为什么?
图 2–6
(3)如图 2–7 所示,线圈在匀强磁场中绕 OO′ 轴转动时,线圈里是否有感生电流?为什么?
图 2–7
(4)如图 2–8 所示,让闭合线圈由位置 1 通过一个匀强磁场运动到位置 2。线圈在运动过程中,什么时候有感生电流,什么时候没有感生电流?为什么?
图 2–8
(5)矩形线圈 ABCD 位于通电直长导线附近(图 2–9),线圈跟导线同在一个平面内,且线圈的两个边与导线平行。在这个平面内,线圈远离导线平动时,线圈中有没有感生电流?线圈和导线都不动,当导线中的电流 I 逐渐增大或减小时,线圈中有没有感生电流?为什么?
图 2–9
(6)把一个钢环放在匀强磁场中,使环的平面与磁场的方向垂直(图 2–10 甲)。如果使环沿着磁场的方向移动,铜环中是否产生感生电流?为什么?如果磁场是不均匀的(图 2–10 乙),是否产生感生电流?为什么?
图 2–10
发布时间:2025/1/29 下午10:31:52 阅读次数:258