高中物理一轮复习教案102 法拉第电磁感应定律 自感和涡流Word文档下载推荐.docx
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1.自感现象:
由于通过导体自身的电流发生变化而产生的电磁感应现象。
2.自感电动势
(1)定义:
在自感现象中产生的感应电动势。
(2)表达式:
E=L。
(3)自感系数L
①相关因素:
与线圈的大小、形状、圈数以及是否有铁芯等因素有关。
②单位:
亨利(H),常用单位还有毫亨(mH)、微亨(μH)。
1mH=10-3H,1μH=10-6H。
3.涡流:
当线圈中的电流发生变化时,在它附近的导体中产生的像水的旋涡一样的感应电流。
(1)电磁阻尼:
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的相对运动。
(2)电磁驱动:
如果磁场相对于导体转动,在导体中产生的感应电流使导体受到安培力的作用而运动起来。
(3)电磁阻尼和电磁驱动的原理体现了楞次定律的推广应用。
重难点
一、法拉第电磁感应定律的理解
1.磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ、磁通量的变化率的比较
比较项目
磁通量Φ
磁通量的变化量ΔΦ
磁通量的变化率
物理意义
某时刻穿过某个面的磁感线的条数
某一段时间内穿过某个面的磁通量的变化量
穿过某个面的磁通量变化的快慢
大小
Φ=B·
S,S是与B垂直的面的面积
ΔΦ=Φ2-Φ1
ΔΦ=B·
ΔS
ΔΦ=S·
ΔB
=B·
=S·
注意
穿过某个面有方向相反的磁感线,则不能直接用Φ=B·
S求解,应考虑相反方向的磁通量抵消后所剩余的磁通量
开始时和转过180°
时的平面都与磁场垂直,但穿过平面的磁通量是一正一负,ΔΦ=2BS,而不是0
既不表示磁通量的大小,也不表示变化的多少。
实际它就是单匝线圈上产生的电动势
附注
线圈平面与磁感线平行时,Φ=0,但最大
线圈平面与磁感线垂直时,Φ最大,但=0
2.法拉第电磁感应定律应用的三种情况
(1)磁通量的变化是由面积变化引起时,ΔΦ=B·
ΔS,则E=n·
B。
(2)磁通量的变化是由磁场变化引起时,ΔΦ=ΔB·
S,则E=n,S是磁场范围内的有效面积。
(3)磁通量的变化是由于面积和磁场变化共同引起的,则根据定义求,ΔΦ=Φ末-Φ初,E=n≠n。
3.应用法拉第电磁感应定律应注意的三个问题
(1)公式E=n求解的是一个回路中某段时间内的平均电动势,在磁通量均匀变化时,瞬时值才等于平均值。
(2)利用公式E=nS求感应电动势时,S为线圈在磁场范围内的有效面积。
(3)通过回路截面的电荷量q仅与n、ΔΦ和回路电阻R有关,与时间长短无关。
推导如下:
q=Δt=Δt=。
特别提醒
(1)感应电动势的大小由线圈的匝数n和穿过线圈的磁通量的变化率共同决定,而与磁通量Φ的大小、变化量ΔΦ的大小没有必然联系。
(2)E=n的研究对象是一个回路,而不是一段导体。
(3)E=n求的是Δt时间内的平均感应电动势,当Δt→0时,则E为瞬时感应电动势。
(4)E=n求得的电动势是整个回路的感应电动势,而不是回路中某段导体的电动势,整个回路的电动势为零,其回路中某段导体的感应电动势不一定为零。
二、导体切割磁感线产生的感应电动势
1.导体平动切割磁感线
对于导体平动切割磁感线产生感应电动势的计算式E=Blv,应从以下几个方面理解和掌握。
(1)正交性
本公式是在一定条件下得出的,除了磁场是匀强磁场,还需B、l、v三者相互垂直。
实际问题中当它们不相互垂直时,应取垂直的分量进行计算,公式可为E=Blvsinθ,θ为B与v方向间的夹角。
(2)平均性
导体平动切割磁感线时,若v为平均速度,则E为平均感应电动势,即=Bl。
(3)瞬时性
若v为瞬时速度,则E为相应的瞬时感应电动势。
(4)有效性
公式中的l为有效切割长度,即导体与v垂直的方向上的投影长度。
下图中有效长度分别为:
甲图:
l=cdsinβ(容易错算成l=absinβ)。
乙图:
沿v1方向运动时,l=MN;
沿v2方向运动时,l=0。
丙图:
沿v1方向运动时,l=R;
沿v2方向运动时,l=0;
沿v3方向运动时,l=R。
(5)相对性
E=Blv中的速度v是相对于磁场的速度,若磁场也运动时,应注意速度间的相对关系。
2.导体转动切割磁感线
当导体在垂直于磁场的平面内,绕一端以角速度ω匀速转动时,产生的感应电动势为E=Bl=Bl2ω,如图甲所示。
(1)以中点为轴时,E=0(不同两段的代数和)。
(2)以端点为轴时,E=Bωl2(平均速度取中点位置时的线速度ωl)。
(3)以任意点为轴时,E=Bω(l-l)(不同两段的代数和)。
(4)长为l的导体棒AB绕其延长线上的O点(OA=r)匀速转动时,电动势为E=Bl=Bl=Bl,如图乙所示。
(5)E=BωL2的另一种推导方法:
长为L的导体棒在磁感应强度为B的匀强磁场中匀速转过θ角度时,所用时间为Δt,扇形面积S=L2,则ΔΦ=BS=BL2,所以E==BL2=BωL2。
3.公式E=n与E=Blv的区别与联系
E=n
E=Blv
区别
研究对象
闭合回路
回路中做切割磁感线运动的那部分导体
研究内容
(1)求的是Δt时间内的平均感应电动势,E与某段时间或某个过程对应
(2)Δt→0时E为瞬时感应电动势
(1)若v为瞬时速度,则求的是瞬时感应电动势
(2)若v为平均速度,则求的是平均感应电动势
适用范围
对任何电路普遍适用
只适用于导体切割磁感线运动的情况
联系
(1)E=Blv可由E=n在一定条件下推导出来
(2)当导体切割磁感线运动时用E=Blv求E方便,当得知穿过回路的磁通量发生变化情况时,用E=n求E比较方便
感生电动势与动生电动势的区别:
感生电动势
动生电动势
产生原因
磁场的变化
导体做切割磁感线运动
移动电荷的非静电力
感生电场对自由电荷的电场力
导体中自由电荷所受洛伦兹力沿导体方向的分力
回路中相当于电源的部分
处于变化磁场中的线圈部分
做切割磁感线运动的导体
方向判断方法
由楞次定律判断
通常由右手定则判断,也可由楞次定律判断
大小计算方法
由E=n计算
通常由E=Blvsinθ计算,也可由E=n计算
三、自感和涡流
1.自感现象的四大特点
(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化。
(2)通过线圈中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。
2.自感现象中“闪亮”与“不闪亮”问题
与线圈串联的灯泡
与线圈并联的灯泡
电路图
续表
通电时
电流逐渐增大,灯泡逐渐变亮
电流突然增大,然后逐渐减小达到稳定
断电时
电流逐渐减小,灯泡逐渐变暗,电流方向不变
电路中稳态电流为I1、I2:
①若I2≤I1,灯泡逐渐变暗;
②若I2>I1,灯泡闪亮后逐渐变暗。
两种情况灯泡中电流方向均改变
3.通电自感与断电自感有何区别与联系
通电自感
断电自感
器材
规格
A1、A2同规格,R=RL,L较大
RL≪RA
现象
在S闭合瞬间,A2灯立即亮起来,A1灯逐渐变亮,最终一样亮
在开关S断开时,灯A突然闪亮一下后渐渐熄灭
原因
由于开关闭合时,流过电感线圈的电流迅速增大,使线圈产生自感电动势,阻碍了电流的增大,使流过A1灯的电流比流过A2灯的电流增加得慢
断开开关S时,流过线圈L的电流减小,产生自感电动势,阻碍了电流的减小,且在S断开后,在A灯和线圈L间形成闭合回路,通过L的电流反向通过A灯,由于RL≪RA,使得流过A灯的电流在开关断开瞬间突然增大,随后逐渐减小
能量转化情况
电能转化为磁场能
磁场能转化为电能
4.处理自感现象问题的技巧
(1)通电自感:
线圈相当于一个变化的电阻——阻值由无穷大逐渐减小,通电瞬间自感线圈处相当于断路。
(2)断电自感:
断电时自感线圈处相当于电源,自感电动势由某值逐渐减小到零。
(3)电流稳定时,理想的自感线圈相当于导体,非理想的自感线圈相当于定值电阻。
5.涡流
(1)涡流的产生与应用
线圈中的电流变化时,在附近导体中产生感应电流,这种电流在导体内形成闭合回路,很像水的漩涡,因此把它叫做涡电流,简称涡流。
在冶炼炉、电动机、变压器、探雷器等实际应用中都存在着涡流。
(2)涡流的两种效应
①热效应:
由于导体存在电阻,当电流在导体中流动时,就会产生电热,这就是涡流的热效应。
②磁效应
a.电磁阻尼:
当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力的作用,安培力的方向总是阻碍导体的运动,这种现象称为电磁阻尼。
b.电磁驱动:
当磁场相对于导体运动时,感应电流会使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来,这种现象称为电磁驱动。
c.电磁阻尼与电磁驱动的比较
电磁阻尼
电磁驱动
不同点
成因
由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力
由于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
安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动
导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量转化
导体克服安培力做功,其他形式能转化为电能,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,都遵循楞次定律,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
(1)解答自感问题的核心是理解“通过线圈的电流瞬间不变”。
即不会突变,通电时,电流逐渐增大;
断电时,电流逐渐减小。
(2)断电自感现象中分析灯泡是否闪亮的关键,是分析断电前后灯泡中电流的变化,电流增大,则闪亮,电流变小,则逐渐熄灭。
(3)断电自感现象中电流方向是否改变的判断:
若用电器与线圈在同一条支路中,用电器中的电流方向不变;
若用电器与线圈不在同一条支路中,用电器中的电流方向改变。
(4)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵守电磁感应定律。
1.思维辨析
(1)线圈中磁通量越大,产生的感应电动势越大。
( )
(2)线圈中磁通量变化越大,产生的感应电动势越大。
(3)线圈中磁通量变化越快,产生的感应电动势越大。
(4)磁通量的变化率描述的是磁通量变化的快慢。
(5)磁场相对导体棒运动时,导体棒中也能产生感应电动势。
(6)线圈匝数n越多,磁通量越大,产生的感应电动势也越大。
(7)线圈中的电流越大,自感系数也越大。
(8)对于同一线圈,当电流变化越快时,线圈中的自感电动势越大。
(9)自感电动势阻碍电流的变化,但不能阻止
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