知识讲解 电磁感应与电路知识、能的转化和守恒专题 基础

电磁感应与电路知识、能的转化和守恒专题

编稿：张金虎 审稿：代洪

【学习目标】

1．运用能的转化和守恒定律进一步理解电磁感应现象产生的条件、楞次定律以及各种电磁感应现象中能量转化关系。

2．能够自觉地从能的转化和守恒定律出发去理解或解决电磁感应现象及问题。

3．能够熟练地运用动力学的一些规律、功能转化关系分析电磁感应过程并进行计算。

4．熟练地运用法拉第电磁感应定律计算感应电动势，并能灵活地将电路的知识与电磁感应定律相结合解决一些实际的电路问题。

5．在电磁感应现象中动力学过程的分析与计算。具体地说：就是导体或线圈在磁场中受力情况和运动情况的分析与计算。

6．在电磁感应现象中，不同的力做功情况和对应的能量转化、分配情况。

【要点梳理】

要点一、运用能的转化和守恒定律理解电磁感应现象产生的条件

1．条件

穿过闭合电路的磁通量发生变化。

2．对条件的理解

（1）在电磁感应的过程中，回路中有电能产生。因此电磁感应的过程实质上是一个其它形式的能向电能转化的过程，这个转化过程必定是一个动态的过程，必定伴随着宏观或微观力做功，以实现不同形式能的转化，也就是说必须经过一个动态的或者变化的过程，才能借助磁场将其它形式的能转化为电能。

（2）导体切割磁感线在闭合回路中产生感应电流的过程：如图所示，导体棒ab 运动，回路中有感应电动势E BLv =和感应电流E I R

=产生。有感应电流I 的导体棒在磁场中受到与棒运动方向相反的安培力F BIL =安作用，要维持导体棒运动产生持续的电流必须有外力F 外克服安培力做功，正是这一外力克服安培力做功的过程使其它形式的能转化为了回路的电能。可见磁通量发生变化（导体棒相对于磁场运动）是外力克服安培力做功，将其它形式的能转化为电能的充要条件。

（3）闭合电路所包围的磁场随时间发生变化产生感应电流的过程：如图所示，磁感应强度随时间变化时，在它的周围空间产生与磁场方向垂直的感应电场，感应电场使得导体中的自由电荷定向移动，形成感应电流。这个感应电场必定阻碍原磁场的变化，要维持持续的感应电流必须有一种外力克服这种阻碍做功，将其它形式的能转化为回路的电能。

要点二、用能的转化和守恒定律理解楞次定律

1．楞次定律

感应电流具有这样的方向：即感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。由楞次定律出发不难推出，感应电流的方向总是阻碍线圈或导体相对于磁场的运动。如图所示，感应电流的方向由b a →，使棒ab 受到的安培力与它相对磁场运动的方向相反，要使棒保持匀速运动必须施加与安培力方向相反的外力。

2．由能量守恒定律出发推知，导体棒ab 中的感应电流方向必定是由b a →，与楞次定律的结果完全一致。

假设棒ab 中感应电流的方向不是由b a →，而是由a b →，由左手定则可以判断棒ab 受到的安培力则是垂直于棒向右，与棒运动的速度方向相同。那么导体棒在这个安培力的作用下不断向右做加速运动，我们看到的结果将是棒的动能不断增大，回路中产生的电能不断增加，且没有消耗其它的能量，也就是说这一过程能量凭空产生，显然违背了能的转化和守恒定律，我们假设ab 棒中感应电流的方向由 a b →是错误的，应该是由b a →，与楞次定律的结论完全一样。我们有理由说楞次定律是能的转化和守恒定律的必然结果。

要点三、法拉第电磁感应定律与能的转化守恒定律

1．法拉第电磁感应定律

电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比，对于n 匝线圈构成的闭合电路有：E n t

ϕ∆=∆． 2．法拉第电磁感应定律一些具体的表达形式（均由E n

t ϕ∆=∆推出） （1）磁感应强度B 不变时 S E nB

t

∆=∆． （2）线圈面积S 固定且不变时 B E nS t ∆=∆． （3）导体在匀强磁场中切割磁感线产生的瞬时电动势 sin E BLv θ=．

3．法拉第电磁感应定律与能的转化守恒定律

由能的转化和守恒定律出发推导导体棒切割磁感线产生的感应电动势E BLv =（垂直切割的情况）：

如图所示，设长为L 的导体棒以速度v 在匀强磁场B 中切割磁感线时产生的电动势为E ，则回路中的感应电流E I R

=，回路中产生电能的功率是P IE =电；又导体棒受到的安培力F BIL =，要维持棒匀速运动则外力的大小等于安培力，即F BIL =外，外力做功的功率P F v BILv ==外外。 由能的转化守恒定律知：外力做功将其它形式的能转化为电能，所以P P =外电，即BILv EI =，感应电动势E BLv =，因此我们有理由说法拉第电磁感应定律和能的转化守恒定律是协调的。

要点四、感生电场与感生电动势

1．感生电场

英国物理学家麦克斯韦认为，变化的磁场能在周围空间激发电场，我们把这种电场叫做感生电场。

要点诠释：

（1）感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的。

（2）感生电场的方向可由楞次定律判断。如图所示，当磁场增强时，产生的感生电场是与磁场方向垂直且阻碍磁场增强的电场。

（3）感生电场的存在与是否存在闭合电路无关。

2．感生电动势

磁场变化时会在空间激发感生电场，处在感生电场中的闭合导体中的自由电荷在电场力的作用下定向运动，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做感生电动势。

要点诠释：

（1）电路中电源电动势是非静电力对自由电荷的作用。在电池中，这种力表现为化学作用。

（2）感生电场对电荷产生的力，相当于电源内部的所谓的非静电力。感生电动势在电路中的作用就是电源。

要点五、洛伦兹力与动生电动势

一段导体做切割磁感线运动时，导体内自由电荷随导体在磁场中运动，则必受洛伦兹力。自由电荷在洛伦兹力作用下产生定向移动，这样异种电荷分别在导体两端聚集，从而使导体两端产生电势差，这就是动生电动势。若电路闭合，则电路中产生感应电流。

要点诠释：

（1）产生动生电动势的导体也相当于电源，其中所谓的非静电力就是洛伦兹力。

（2）动生电动势的产生与电路是否闭合无关。

（3）当电路不闭合时，切割磁感线的导体两端积聚电荷，则在导体内产生附加电场，电荷在受洛伦兹力的同时也受电场力作用。如图甲所示，当导体AB 以恒定速度1v 向右运动切割磁感线时，负电荷受洛伦兹力方向向下，则B 端聚集负电荷，同时A 端剩余等量正电荷，在导体内产生向下的电场，使负电荷受洛伦兹力的同时，也受电场力，但电场力方向向上，故当洛伦兹力ab U qvB q

l

=时，电荷不再定向移动，此时AB 间电压最大，即达电源电动势ab E U =。

注意：

（1）当切割磁感线的导体棒中有动生电流时，棒内的自由电荷参与两个分运动，一是随导体切割磁感线的运动，二是沿导体定向移动（形成电流）。这两个分运动对应合运动所受洛伦兹力的两个分力，如图乙所示，使电荷沿棒移动形成电流的分力1F 和与导体棒给电荷的作用力在水平方向平衡的力2F 。

（2）沿棒方向的分力1F 对电荷做正功，阻碍导体棒运动的分力2F 对电荷做负功，这两个功代数和为零，不违背洛伦兹力永不做功的特点。即1F 和2F 的合力F 洛始终与电荷运动的合速度v 合垂直。