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内容举例: 电磁感应中的动力学临界问题 解题思路如下: 5. 求解基本步骤 (1)明确研究对象和物理过程,即研究哪段导体在哪一过程切割磁感线。 (2)根据导体运动状态,应用法拉第电磁感应定律和楞次定律求出感应电动势的大小和方向。 (3)画出等效电路图,应用闭合电路欧姆定律求回路中的感应电流。 (4)分析导体的受力情况,要特别注意安培力的方向。 (5)列出动力学方程或平衡方程求解。 八、电磁感应中功能问题的分析方法 1. 电磁感应过程的实质是不同形式的能量之间转化的过程,而能量的转化是通过安培力做功的形式实现的,安培力做正功的过程是电能转化为其他形式能的过程,外力克服安培力做功的过程,则是其他形式的能转化为电能的过程。 2. 能量转化及焦耳热的求法 (1)能量转化 (2)求解焦耳热Q的三种方法 ①利用焦耳定律求解:Q=I2Rt。 ②利用功能关系求解:Q=W克服安培力。利用能量转化求解:Q=ΔE其他能的减少量。 注意 在利用能量守恒解决电磁感应问题时,第一要准确把握参与转化的能量的形式和种类;第二要确定哪种能量增加,哪种能量减少。 第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 一、电磁感应现象中的感生电场 1. 感生电场 19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出:磁场变化时能在周围空间激发电场,这种电场与静电场不同,它不是由电荷产生的,我们把它叫作感生电场。 2. 感生电动势 磁场变化时会在周围空间激发感生电场,处在感生电场中的闭合导体中的自由电荷在感生电场的作用下做定向移动,产生感应电流,或者说,导体中产生了感应电动势。由感生电场产生的电动势叫作感生电动势。 (1)感生电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求解,公式为E=nΔΦ/Δt。 (2)感生电动势的方向与感生电场的方向相同,与感应电流的方向相同。 二、涡流 概念 由于电磁感应,在导体中产生的像水中的漩涡的感应电流 特点 整块金属的电阻很小,涡流往往很强,产生的热量很多 应用 (1)涡流热效应的应用:如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应的应用:如探雷器、安检门 防止 电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。 途径一:增大铁芯材料的电阻率; 途径二:用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯 块状金属在匀强磁场中运动时,穿过金属块的磁通量不变,金属块中不产生涡流。 三、电磁阻尼 概念 当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体运动的现象 应用 磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止摆动,便于读数 四、电磁驱动 概念 磁场相对于导体转动时,导体中产生感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动 应用 交流感应电动机 如图所示,转动手柄时,蹄形磁体转动,穿过铝框的磁通量发生变化,根据楞次定律可知,此时铝框中有感应电流产生,以阻碍磁通量的变化,因而铝框就随磁体的转动而转动,转动方向与磁体的转动方向相同,但一定比磁体转动得慢一些。 五、对涡流的理解 1. 涡流的本质 涡流的本质是由于电磁感应而产生的感应电流,与一般导体或线圈的最大区别是金属块内自成闭合回路,但它同样遵循法拉第电磁感应定律。 2. 产生涡流的两种情况 (1)把金属块放在变化的磁场中; (2)让金属块进出磁场或者在非匀强磁场中运动。 3. 能量变化 伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。 (1)如果把金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能并最终转化为内能。 (2)如果让金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,则由于克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能并最终转化为内能。 六、电磁阻尼和电磁驱动电磁阻尼 电磁驱动 不同点 成因 导体在磁场中运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力 磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力效果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体所受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动 不同点 能量 转化 导体克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能 由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能,从而对外做功 相同点 两者都是电磁感应现象,都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动 电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动。电磁驱动中导体的运动速度要小于磁场的运动速度。 七、感生电动势与动生电动势的比较感生电动势 动生电动势 产生原因 磁场变化 导体做切割磁感线运动 回路中相当于电源的部分 处于变化磁场中的导体部分 做切割磁感线运动的导体 方向判断方法 由楞次定律和安培定则判断 通常由右手定则判断,也可由楞次定律和安培定则判断 大小计算方法 用E=nΔΦ/Δt=nΔB/ΔtS计算 通常用E=Blv sin θ计算,也可用E=nΔΦ/Δt计算 相互关系 感生电动势与动生电动势的本质是相同的,都遵从法拉第电磁感应定律,体现能量的转化与守恒 第4节 互感和自感 一、互感现象 1. 互感:两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。这种现象叫作互感,这种感应电动势叫作互感电动势。 2. 互感的应用:利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈,因此互感在电工技术和电子技术中有广泛的应用。变压器就是利用互感现象制成的。 3. 互感的危害:互感现象可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。在电力工程中和电子电路中,互感现象有时会影响电路的正常工作。 导师点睛 互感现象是一种常见的电磁感应现象,遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。法拉第心系“磁生电”,发现电磁感应现象的实验实质就是互感。 二、自感现象、自感系数 自感现象 当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势,这种现象称为自感 自感电动势 定义 由于自感而产生的感应电动势大小 正比于电流的变化率公式 方向判断 遵循楞次定律 自感系数 物理意义 表示线圈产生自感电动势本领的大小大小的 决定因素 与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等因素有关单位 国际单位制单位是亨利,简称亨,符号是H。 常用的还有毫亨(mH)和微亨(μH),1 H=103 mH=106 μH (1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化。 (2)通过线圈的电流不能发生突变,只能缓慢变化。 (3)电流稳定时,自感线圈就相当于普通导体。 (4)线圈的自感系数越大,自感现象越明显,自感电动势只是延缓了过程的进行,但它不能使过程停止,更不能使过程反向。 三、磁场的能量 自感现象中 磁场的能量 (1)线圈中电流从无到有时,磁场从无到有,这可以看作电源把能量输送给磁场,储存在磁场中。 (2)线圈中电流减小时,磁场中的能量释放出来转化为电能 电的“惯性” 自感电动势阻碍线圈中的电流的变化 四、通电自感和断电自感的比较通电自感 断电自感 自感电路 器材规格 A1、A2灯同规格,R=R_(L_1 ),L1的自感系数较大 L2的自感系数很大 自感现象 在S闭合瞬间,A2灯立即亮起来,A1灯逐渐变亮,最终两灯一样亮 先闭合开关,使灯泡发光,然后断开开关。在开关S断开时,A灯不会立即熄灭 产生原因 开关闭合时,流过线圈L1的电流迅速增大,线圈L1中产生自感电动势,阻碍电流的增大,流过A1灯的电流比流过A2灯的电流增大得慢,又R=R_(L_1 ),最终流过两灯的电流一样大 断开开关S时,流过线圈L2的电流迅速减小,线圈产生自感电动势阻碍电流的减小,使电流继续存在一段时间。在S断开后,通过L2的电流会通过A灯(与原来A灯的电流方向相反),A灯不会立 即熄灭。若R_(L_2 )<RA,原来的电流I_(L_2 )>IA,则A灯熄灭前要闪亮一下;若R_(L_2 )≥RA,原来的电流I_(L_2 )≤IA,则A灯逐渐熄灭 等效理解 电感线圈的作用相当于一个阻 值无穷大的电阻在短时间内减 小为电感线圈的直流电阻 电感线圈的作用相当于一个瞬时电源(电源电动势在短时间内减小为零) 能量转化 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能 1. 对通电自感和断电自感的三点理解 (1)通电时线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加,且与原电流方向相反。 (2)断电时线圈产生的自感电动势与原来线圈中的电流方向相同,且在与线圈串联的回路中,线圈相当于电源,它提供的电流大小从原来的值逐渐变小,不发生突变。 (3)自感电动势只是延缓了电流的变化,但它不能阻止原电流的变化,更不能使原电流反向。 2. 自感现象的三种状态 (1)线圈通电瞬间可把线圈看成断路; (2)断电时自感线圈相当于电源; (3)电流稳定时,自感线圈相当于导体,理想线圈电阻为零,相当于短路。
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