黃 蕊

(華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北 保定 071002)

趙繼廣

(中國(guó)郵政集團(tuán)公司保定市分公司 河北 保定 071002)

關(guān)于變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)的辨析

黃 蕊

(華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北 保定 071002)

趙繼廣

(中國(guó)郵政集團(tuán)公司保定市分公司 河北 保定 071002)

根據(jù)實(shí)際問題，判斷分析放在變化的磁場(chǎng)中的閉合回路是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而加深對(duì)感生電場(chǎng)的理解及運(yùn)用．

變化的磁場(chǎng) 感應(yīng)電流 感生電場(chǎng)

變化的磁場(chǎng)能激發(fā)感生電場(chǎng)，是電磁學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，也被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中的物理知識(shí)，如冶煉金屬、電磁爐等[1]．那么我們對(duì)感生電場(chǎng)的了解是否透徹，應(yīng)用起來又是否熟練呢？下面我們分析一個(gè)問題．

1 問題提出

圖1所示的電路中，回路A，B，C均是長(zhǎng)矩形導(dǎo)體回路(并且長(zhǎng)邊間的距離較遠(yuǎn)),其中導(dǎo)體回路A和B在同一平面內(nèi)，完全相同，A和B兩回路電流等大反向，回路C與回路A和B所在平面相垂直，且其長(zhǎng)邊de在回路A和B組成的平面內(nèi)，到的距離回路A和B相等，A和B回路的開關(guān)S1和S2均先斷開，問：同時(shí)閉合開關(guān)S1和S2的瞬間，回路C中的檢流計(jì)G指針會(huì)不會(huì)偏轉(zhuǎn)？

圖1 提出問題的電路

2 問題解答

(1)有人認(rèn)為回路C中的檢流計(jì)G指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

原因：電流I1和I2在回路C長(zhǎng)邊de處產(chǎn)生的磁場(chǎng)B均是垂直于A和B回路向上，如圖2所示，有磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，則回路C有感應(yīng)電流，則回路C中檢流計(jì)G指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖2 解答問題的電路

(2)也有人認(rèn)為回路C中的檢流計(jì)G指針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

原因：回路C所處位置的磁場(chǎng)B的方向與線圈C平行，如圖2所示，也就是沒有磁感線穿過線圈，穿過線圈的磁通量始終為零，沒有磁通量變化，所以回路C中檢流計(jì)G指針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

以上兩個(gè)結(jié)論哪個(gè)對(duì)？解釋是不是合理？

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果是怎樣的呢?下面按照原理圖連接電路進(jìn)行驗(yàn)證，閉合開關(guān)的瞬間，發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)G指針并沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為什么會(huì)出現(xiàn)如此現(xiàn)象？第2種解釋又是否合理？

4 理論解釋

圖3 對(duì)現(xiàn)象做出解釋的電路

由此可見，第1種說法給出的結(jié)論及解釋都是錯(cuò)誤的．檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，是由于總感生電場(chǎng)為零，回路C中沒有感生電動(dòng)勢(shì)，從而沒有感生電流．

那么，法拉第電磁感應(yīng)定律與和感生電場(chǎng)理論對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的解釋結(jié)論是否統(tǒng)一呢？下面應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律再次對(duì)上述問題進(jìn)行分析．

因?yàn)榛芈稢與A，B對(duì)稱放置，回路A，B中兩電流等大反向，回路A，B中的電流在回路C所在平面任意一點(diǎn)激發(fā)的磁感強(qiáng)度大小及方向，如圖4所示，(圖4為圖1中A，B兩電路距離最近兩條平行導(dǎo)線通電和產(chǎn)生磁場(chǎng)的剖面圖)，根據(jù)對(duì)稱性可知，B1和B2的大小相等，方向關(guān)于回路C所在的平面對(duì)稱，則B1和B2的合磁感強(qiáng)度B合，方向與回路C所在平面平行(圖4)，即回路C中無磁感線穿過，其磁通量恒為零，不隨時(shí)間發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路C中沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也就沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，回路C中的檢流計(jì)G指針不會(huì)偏轉(zhuǎn)．所以，第(2)種說法，分析出了磁通量是一直為零，不隨時(shí)間發(fā)生變化，因而沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，是正確的．

圖4 圖1中的剖面圖

以上的理論解釋是否合理呢？下面我們改變A回路中電流的方向，其他條件保持不變，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

5 實(shí)驗(yàn)拓展

如圖5所示，A，B兩回路距離最近的兩條平行導(dǎo)線中電流等大同向，再次進(jìn)行試驗(yàn)，在同時(shí)閉合兩開關(guān)S1和S2的瞬間，發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖5 兩電流等大同向，產(chǎn)生磁場(chǎng)的情況

圖6 兩電流等大同向，感應(yīng)電場(chǎng)情況

從磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的角度來分析，回路A和B中的電流在回路C所在平面任意一點(diǎn)激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1和B2大小及方向，如圖7所示，根據(jù)對(duì)稱性，回路A，B中的電流在該點(diǎn)激發(fā)的磁場(chǎng)的合磁場(chǎng)B合方向向右(圖7) ，因此B合穿過回路C的磁通量不為零，若回路A和B中的電流發(fā)生變化，則穿過回路C的磁通量也就隨時(shí)間發(fā)生變化，則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路C中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，回路C中的檢流計(jì)G指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖7 A和B中的電流在回路C所在平面任一點(diǎn)激發(fā)的磁場(chǎng)

6 辨析及結(jié)論

之所以有上述的錯(cuò)誤解答，是由于沒有抓到放在變化磁場(chǎng)中的閉合線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)．閉合導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)是通過該回路的磁通量發(fā)生了變化，通過導(dǎo)線回路中的磁通量變化有多種形式，可以是磁場(chǎng)不變，導(dǎo)體回路運(yùn)動(dòng)；可以是導(dǎo)體回路靜止，磁場(chǎng)變化；或者是磁場(chǎng)變化，導(dǎo)體回路也運(yùn)動(dòng)[1]．

上述問題中閉合線圈保持靜止不動(dòng)，引起磁通量發(fā)生變化的因素是磁場(chǎng)的變化，根據(jù)麥克斯韋理論，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，也就是說在閉合線圈恒定不變的情況下，產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)，是變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，感生電場(chǎng)力提供非靜電力，引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在閉合導(dǎo)體回路中形成感應(yīng)電流．

對(duì)于圖1的情況來說，回路C中長(zhǎng)邊de處有磁場(chǎng)，有磁場(chǎng)的變化，但是由于變化的磁場(chǎng)而產(chǎn)生的感生電場(chǎng)方向是大小相等、方向相反的，相互抵消，所以總感生電場(chǎng)為零．此情況下，沒有感生電場(chǎng)，就沒有感生電動(dòng)勢(shì)，也就沒有感應(yīng)電流．

對(duì)于圖5，雖然回路C中長(zhǎng)邊de處的磁場(chǎng)相互抵消，但是由于磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感生電場(chǎng)并不是相互抵消，所以總感生電場(chǎng)不為零．此情況下，有感生電場(chǎng)，則有感生電動(dòng)勢(shì)，線圈回路C中也就有感應(yīng)電流．事實(shí)上，回路C中只有長(zhǎng)邊de所在平面處的磁場(chǎng)相互抵消，回路C的其他位置的磁場(chǎng)只抵消了磁場(chǎng)在豎直方向的分量，合磁場(chǎng)的方向沿水平方向向右(圖7)，穿過閉合回路C中的磁通量不為零，磁場(chǎng)的變化引起閉合C處磁通量的變化，所以閉合回路中有感應(yīng)電流．

此實(shí)驗(yàn)充分地解釋了放置在變化的磁場(chǎng)中的恒定閉合線圈產(chǎn)生感生電流的本質(zhì)，是由于變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，感生電場(chǎng)的存在才使得閉合回路中有感應(yīng)電流．當(dāng)然此問題也可以用法拉第電磁感應(yīng)定律做出解釋，也就說，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)的理論與法拉第電磁感應(yīng)定律是完美統(tǒng)一的．

1 上海交通大學(xué)物理教研室.大學(xué)物理學(xué)(下冊(cè)).上海.上海交通大學(xué)出版社.2011.111

2 蘇景順.長(zhǎng)直導(dǎo)線通以變化電流產(chǎn)生的渦旋電場(chǎng).大學(xué)物理.1995(1)：45～47

TheJudgementandAnalysisaboutChangingMagneticFieldProducesInducedElectricField

HuangRui

(NorthChinaelectricpoweruniversityscienceandtechnologycollege，Baoidng,Hebei071000)

ZhaoJiguang

(ChianPostGroupCorporationBaodingBranch，Baoidng,Hebei071000)

According to the practical problems, judged and analyzed whether the closed loop in the changing magnetic field produces induced current or not, thereby deepened the understanding and application of the induced electric field.

changing magnetic；induced current；induced electric field

2016-09-12)