高三物理电流的磁效应和电磁感应中的能量问题

电流的磁效应和电磁感应中的能量问题

原平市第一中学朱东平

1820年丹麦物理学家奥斯特发现：把一段直导线平行地放在小磁针的上方，当导线中有电流通过时小磁针就会发生偏转，这说明不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，这就是电流的磁效应。电流的磁效应发现以后，人们很自然地想到：利用磁场是不是也能产生电流呢？英国物理学家法拉第经过十年坚持不懈的努力，终于取得重大突破，在1983年发现了由磁场产生电流的条件和规律。由磁场产生电流的现象称为电磁感应现象。在这里我就这两类问题中的能量转化情况谈谈我的看法：

一、在电流产生磁场的现象中：

无论是通电直导线产生磁场的现象，还是通电线圈产生磁场的现象，都是原来空间没有磁场，现在有了磁场，这个过程中必然有了磁场能量的增加。磁场的能量显然是来源于给导线或线圈提供电流的电源。

二、在电磁感应现象中：

原来电路中没有电流，现在发生电磁感应产生了电流，电流通过有电阻的导体转化成了焦耳热；或者电流通过化学电源给其充电；总之，消耗了电能，那么这个电能从哪里来呢？是来源于磁场能量吗？在电磁感应中一部分情况感应电流的电能是来源于磁场能量；而还有一部分感应电流的电能不是消耗了磁场能量，而是以磁场为桥梁实现的其他形式的能量和电能的相互转化或者转移。我们分情况来讨论：

1、闭合电路中的部分导线（或线圈）与磁场相对运动而产生的电磁感应现象中（切割类）的情况下，显然电能是来源于磁铁、导线、导线框的机械能或者控制它们运动的人的内能或者其他物体的能量。

例1、在含有电阻的水平光滑导轨上有一导

体棒AB，整个装置处在竖直向下的匀强磁场中；

导体棒开始具有初速度v,试分析AB运动中的

能量转化情况？

分析：导体棒向右运动时由于切割磁感线

而产生了感应电流，而导体棒就会受到向左的

安培力；导体棒就做向右的减速运动；导体棒克服安培力做功动能减少转化成了回路中的电能。如果要保持导体棒匀速运动人或者其他物体必须对导体棒做正功，而导体棒对人或者物体做负功，从而消耗人或者其他物体的能量转化成回路中的电能。在这里磁场只是个载体，磁场能量没有变化。

例2、右下图（甲）和（乙）中，线圈和磁铁之

间有相对运动时；试分析能量转化情况？

分析：（甲）图中线圈不动，磁铁向下运动时，

在线圈中产生了感应电流，线圈就对磁铁产生了向

上的磁场力，阻碍磁铁向下运动，磁铁克服磁场力

做功其机械能减少转化成了线圈中的电能，线圈不

是超导体时电能就转化成了焦尔热能。而在（乙）

图中磁铁不动，线圈向下运动，线圈中产生感应电

流，从而受到磁铁对它向上的磁场力；线圈克服磁场力做功，机械能减少

转化成了线圈中的电能。当然，如果是人或者其他物体控制磁铁、线圈运动那么也就有人的内能或者其他物体的能量和电能之间的相互转化。在这里，通电线圈和磁铁之间有相对运动时引起的感应电流现象中，磁场能量没有变化，而是通过磁场为桥梁实现了机械能或者其他形式能量向电能的转化。

2、对于电流变化引起的电磁感应现象它们的能量又来源于哪里呢？是磁场能量吗？

例1：试分析理想变压器工作过程中的能量转化情况？电磁感应中，当原线圈中有变化的电流通过时，就在周围产生变化的磁场，这个变化的磁场通过付线圈时就在其闭合回路中产生了感应电流；这个过程中，原线圈中的电能转化成了铁芯里的磁场能，然后在付线圈里又把铁芯里的磁场能转化成了电能；付线圈中消耗的电能来源于给原线圈供电的电源中的电能。而磁场仅起到了能量传输的作用。

例2、在右下图所示的电路中，当开关S闭合时，或者开关S断开时，都有电磁感应现象发生。试分析其能量转化情况？

分析：当开关S闭合时线圈Z里原来没有磁场，

现在通电，使线圈里有了磁场时，有了磁通量的变

化；这样就在线圈中引起了感应电流。此过程中电

源的电能转化成了线圈里的磁场能量，如果线圈有

电阻就同时也产生了焦尔热能，电流恒定时，电磁

感应现象消失，能量转化也就结束了，只是线圈里

保存下了磁场能量；而当开关S断开时线圈中原来

有恒定电流，有磁场，现在要使磁场突然消失，有

了磁通量的变化就在线圈里引起了感应电流，而感应电流通过两灯泡使灯泡闪亮一下然后熄灭；在这个电磁感应现象中是把原来存储在线圈中的磁场能量转化成了电能，而电能又转化成了热能和光能。

例3、在研究LC回路的电磁震荡实验电路中，开始开关S与1闭合电源给电容器充电；然后再把开关S与2闭合，这样就在LC回路里引起了电磁感应；试分析一下能量的转化情况？

分析：开关S与2闭合时，电容器开始放电；线圈中原来没有电流和磁场，现在要产生电流和磁场；从而引起了感应电流，在这个电磁感应现象里，如果不考虑电场能量和磁场能量的损失，

那么电磁感应中只是把电场能量转化成了磁场能

量；电容器放电完毕时，线圈中电流最大，磁场

能量最多，电磁感应现象消失。以后又给电容器

充电，线圈中电流减少引起的电磁感应现象中，

是线圈中的磁场能量转化成了电场能量。再以后

又是电场能量转化成了磁场能量，磁场能量又转化成电场能量……线圈里不断的发生电磁感应,就使电容器和线圈里的能量发生了周期性的转化。如果，不考虑线圈里磁场能的损失和电容器中电场能量的损失。LC回路中的总能量将保持不变。