高中物理課本對電磁感應現(xiàn)象的理解包括兩方面:一是感應電動勢的大小與磁通量變化率成正比,即E=;二是感應電流的方向,根據(jù)楞次定律判定。電磁感應現(xiàn)象的實質是什么?如何用學過的理論來解釋?帶著這個問題來看下面的例題。
例1如圖1所示,導體棒在水平光滑導軌上以速度V向右平移,已知磁感應強度為B,導體棒L,求切割導體棒的感應電動勢的大小及電流的方向。
本題求解較簡單,感應電動勢的大小E=BLV,通過右手定則知電流方向為向上。下面換個角度來分析這個問題,導體棒向右平移,它里面的電子也隨之向右運動,從而使其受到向下的洛倫茲力f,促使電子向下運動,由此可得導體棒內的感應電流為向上。如圖2所示,導體棒中的電子參與兩個運動:⑴隨導體棒向右運動的速度;⑵因受洛倫茲力而向下運動的速度v',其所受的洛倫茲力也分為兩部分:⑴v與對應的部分f,相當非靜電力,其總功率P=BvQv',導體棒上運動電荷的總電量Q=LSqn,又因為微觀電流I=Snqv',綜上可得P=BLvI,產(chǎn)生感應電動勢的原因就在于此。⑵與v'對應的部分f,∑f'即安培力,從宏觀上阻礙導體棒的運動,減少導體棒的動能。如圖2所示,總洛倫茲力F,即f、f'的合力與電子的合速度V垂直,故洛倫茲力不做功,但卻起到了至關重要的作用,通過f'做功減少動能,通過f做功產(chǎn)生電能。
由此可知,切割導線產(chǎn)生感應電動勢可以用運動電荷在磁場中受力來解釋,是否所有的電磁感應現(xiàn)象都可以這樣解釋呢?
例2如圖3所示,半徑為r的圓形閉合回路中有垂直紙面向里的磁場,當磁場均勻增加, =K,求感應電動勢的大小及感應電流的方向。
根據(jù)E=得,感應電動勢 =K,感應電流的方向為逆時針。
此類問題可以這樣理解,磁場增加即磁感線向圓內切割,圓環(huán)導線相對磁場向外切割,磁場減少即磁感線向圓內切割,圓環(huán)導線相對磁場向里切割,設相對切割速度為V,很容易證得,=B(2πr)V。同上,相對切割產(chǎn)生感應電動勢可用電荷相對磁場運動而受力來解釋。
通過以上兩個例題的分析可知,電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于閉合回路與磁場之間的相對運動,電磁感應現(xiàn)象的實質是相對磁場運動的電荷在磁場中受力。
(唐山市豐南區(qū)第一中學)