1.磁通量:
磁感應強度B與垂直磁場方向面積S的乘積。定義式:Φ=BS。
①S為有磁感線穿過的有效面積。
②磁通量為正、反兩個方向穿入的磁感線的代數和。
2.產生感應電流的條件:
穿過閉合電路的磁通量發生變化,即ΔΦ≠0.
(1)閉合電路中部分導體做切割磁感線運動產生感應電流,本質是引起穿過閉合電路磁通量的變化。
(2)電磁感應現象的實質是產生感應電動勢,迴路閉合,有感應電流,迴路不閉合,只有感應電動勢而無感應電流。
3.感應電流的方向判定:
(1)楞次定律:感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.
(2)右手定則:伸開右手,讓拇指跟其餘四指在同一平面內,並跟四指垂直,讓磁感線垂直從掌心進入,拇指指嚮導體運動方向,四指所指的方向就是感應電流的方向。
①「阻礙」不是「相反」.例如:當線圈中磁通量減小時,感應電流產生的磁場方向與原磁場方向相同.即「增反減同」.
②「阻礙」不是「阻止」.阻礙的作用只是使磁通量增大或減小變慢,並不能阻止這種變化,磁通量仍會增大或減小。
1.電磁感應實驗的標誌:
連有電流計的螺線管(注意未通電),它們組成了一個閉合電路,如圖.另一重要裝置提供變化磁場,可是條形磁鐵或電流能調節的通電螺線管。
2.考題通常的考查情況:
產生電磁感應現象的條件:條形磁體一極靠近或遠離接有電流計的螺線管或插入大螺線管的通電小螺線管電流發生變化或是通、斷電瞬間.
較複雜的考查是:已知通電螺線管的電流方向與變化情況,判斷電流計指針的偏轉情況.這個時候需要仔細判斷原磁通量的方向原磁通量的變化,應用楞次定律判斷阻礙這種變化的感應電流方向,再判斷電流計指針的偏轉情況.
例1 在法拉第時代,下列驗證「由磁產生電」設想的試驗中,能觀察到感應電流的是( )
A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合迴路,然後觀察電流表的變化
B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈,然後觀察電流表的變化
C.將一房間內的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接,往線圈中插入條形磁鐵後,再到相鄰房間去觀察電流表的變化
D.繞在同一鐵環上的兩個線圈,分別接電源和電流表,在給線圈通電或斷電的瞬間,觀察電流表的變化
【解析】繞在磁鐵上的線圈磁通量不變,不會產生感應電流,A錯誤;通電線圈周圍的磁場是恆定的,穿過線圈的磁通量不變,也不會產生感應電流,B錯誤;將一房間內的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接,往線圈中插入條形磁鐵的過程會產生感應電流,磁鐵放入線圈中後感應電流就消失了,所以再到相鄰房間觀察電流表時,感應電流已為零,C錯誤;給線圈通電或斷電的瞬間,線圈中電流發生變化,線圈內磁場發生變化,磁通量發生變化,會產生感應電流,D正確。
【答案】D
【點播】本題以科學家研究電磁感應現象時的實驗為背景命題,考查了產生感應電流的條件:只要穿過閉合電路的磁通量發生變化,電路中就會產生感應電流。求解時要把握「穿過閉合電路的磁通量發生變化」這一關鍵,這裡要注意「閉合」與「變化」需要同時滿足。
1.對產生感應電流的條件的理解:
(1)應用楞次定律判斷感應電流方向要遵從以下三個步驟:
①明確引起感應電流的磁場方向和磁感線分布特點以及磁通量的變化
②根據楞次定律確定感應電流的磁場方向
③由安培定則根據感應電流的磁場方向確定感應電流的方向
(2) 熟悉磁通量發生變化的常見情況:
可能是磁場發生變化引起磁感應強度大小變化,或磁場與線框相對位置變化,空間中的磁場變化
可能是由閉合電路有效面積變化,面積大小或線框與磁場的夾角變化
注意兩個特別情況:
①如圖所示,矩形線圈沿a →b →c在條形磁鐵附近移動,試判斷穿過線圈的磁通量如何變化?
穿過上邊線圈的磁通量由方向向上減小到零,再變為方向向下增大。
②如圖所示,環形導線a中有順時針方向的電流,a環外有兩個同心導線圈b、c,與環形導線a在同一平面內.
當a中的電流增大時,穿過線圈b、c的磁通量各如何變化?在相同時間內哪一個變化更大?
b、c線圈所圍面積內的磁感線有向裡的也有向外的,但向裡的更多,所以總磁通量向裡,a中的電流增大時,總磁通量也向裡增大.由於穿過b線圈向外的磁感線比穿過c線圈的少,所以穿過b線圈的磁通量更大,變化也更大.注意此種情況下,外圍面積越大,磁通量越小.
2.對楞次定律的理解:
楞次定律可廣義地描述為:感應電流的效果總是反抗(或阻礙)引起感應電流的「原因」.
①從磁通量變化的角度看
感應電流的磁場總是阻礙同方向的減小和反方向的增大(「增反減同」)
②從相對運動的角度看
感應電流的效果總是阻礙導體間的相對運動(「來拒去留」)
③從面積變化的角度來看
面積收縮或擴張總是為了阻礙迴路磁通量的變化(「增縮減擴」)
④從電流變化的角度看
感應電流的效果總是阻礙原電流的變化(自感現象)(「增反減同」)
楞次定律中的「阻礙」作用,正是能量守恆定律的反映,在克服這種「阻礙」的過程中,其他形式的能轉化為電能。
利用右手定則判斷閉合電路部分導體做切割磁感線運動時產生感應電流的方向.高考對於此點的考法,主要有兩類:
1.與地磁場等非勻強磁場結合的生活實際應用問題
(1)注意分析清楚磁場的分布.
(2)注意將實際問題轉化為物理模型:導體切割磁感線的運動.
如圖甲中金屬圓盤半徑在做切割磁感線運動.
(3)導體切割磁感線運動,產生感應電動勢.只有導體連接在閉合迴路中,才有感應電流.切割磁感線運動的導體內部,電流從電勢低處流向電勢高處.
如圖乙,勻強磁場中,MN、PQ是兩根平行的金屬導軌,ab、cd為串有電壓表和電流表的兩根金屬棒,它們同時以相同速度向右運動,穿過閉合迴路的磁通量不變,迴路中沒有電流,電流表無讀數,電壓表無讀數,金屬棒切割磁感線,產生感應電動勢,由右手定則知φa>φb.
2.互感問題
存在兩個互不相連並相互靠近的線圈,一個線圈中的電流變化,它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢.
解決此類題要明確兩個問題:
①互感發生,即發生二次感應,必須要有一個變化的磁場,需要一個變化的電流.
②產生一個同樣的二次感應效應,可以用不同的方式切割磁感線運動產生。
兩種解決該類問題的方法:
(1)正向推理法
①研究第一次感應的閉合迴路,根據楞次定律判斷出感應電流的方向,根據導體的運動情況(加速、減速或勻速)判斷感應電流大小的變化情況.
②研究第二次感應的閉合迴路,根據楞次定律判斷感應電流的方向,然後由左手定則判斷導體的運動情況.
(2)逆向推理法
①首先依據二次感應產生的效應,判斷二次感應電流的方向.
②然後依據螺線管中感應電流的方向,應用安培定則,判定二次感應電流產生的磁通量方向,明確它是阻礙第一個感應磁場變化的.
③依據楞次定律,得出第一個感應磁場的方向及相應的變化的可能情況,從而得到引起磁場變化的電流的方向與變化情況.
④最後,依據電流的方向,判斷導體切割磁感線運動的方向與速度.
1.求解感應電動勢常見情況與方法
對導體平動切割磁感線產生的感應電動勢E=Blv的理解。
(1)正交性:勻強磁場,B、l、v互相垂直。
(2)有效性:l為導體切割磁感線的有效長度。
(3)相對性:E=Blv中的速度v是導體相對磁場的速度。
【點撥】磁感應強度B隨時間均勻增大,則ΔBΔt是恆量,所以感應電動勢與圓環的面積成正比,即與圓環半徑的平方成正比.
根據楞次定律判斷感應電流的方向有四步:
(1)先判斷原磁場的方向;
(2)判斷磁通量如何變化;
(3)根據楞次定律判斷感應電流產生的磁場的方向;
(4)根據安培定則判斷感應電流的方向。
關鍵要搞清楚電路的連接情況。
(1)通電時,自感線圈相當於一個變化的電阻,阻值由無窮大逐漸減小,通電瞬間自感線圈處相當於斷路。
(2)斷電時,自感線圈相當於電源,自感電動勢由某值逐漸減小到零。
(3)電流穩定時,自感線圈相當於導體。
1.圖像種類:
隨時間t的變化圖像
B-t圖像、Ф-t圖像、E-t圖像和I-t圖像
隨線圈位移x變化的圖像
E-x圖像和I-x圖像。
2.三條規律:
楞次定律、右手定則、法拉第電磁感應定律。
3.常利用的五個公式
已知感應電流(或磁場),或電磁感應現象中發生的力學現象推知變化的電流或磁場的情況。
1.線框進入磁場問題的一般模型
2.線框進入磁場問題的注意點與拓展
(1)線框中電流大小與導體運動速度成正比
注意:線框穿出磁場時電流方向的突變
(2)矩形線框可變形為不規則線框
應用「等效」原則
(3)線框完全進入磁場電流為零
線框寬度d和磁場寬度l,d=l,不會出現電流為零,電流方向會突變d>l,出現線框橫跨磁場情況,電流會為零
3. 解題時注意:
(1)注意正方向的規定
(2) 曲線的變化率上,原磁場或電流與感應電流在圖像上呈「相反」的關係
(3)依據已知的電磁感應現象,應用楞次定律判定原電流或磁場的變化
導體棒在磁場中運動切割磁感線產生電磁感應,將力和運動、功和能量綜合到一起,考查綜合分析能力和邏輯思維能力。
1.電磁感應綜合問題兩種基本模型
(1)單杆模型(光滑平行導軌)
(2)雙杆模型(光滑平行導軌)
1.電磁感應中的能量轉化
實質是不同形式的能量之間轉化的過程
能量的轉化是通過安培力做功的形式實現的