大学物理《普通物理学简明教程》第十二章电磁感应电磁场10687.pdf
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1、第十二章 电磁感应 电磁场 问题 12-1 如图,在一长直导线L中通有电流I,ABCD为一矩形线圈,试确定在下列情况下,ABCD上的感应电动势的方向:(1)矩形线圈在纸面内向右移动;(2)矩形线圈绕 AD 轴旋转;(3)矩形线圈以直导线为轴旋转.解 导线在右边区域激发的磁场方向垂直于纸面向里,并且由2IBr可知,离导线越远的区域磁感强度越小,即磁感线密度越小当线圈运动时通过线圈的磁通量会发生变化,从而产生感应电动势感应电动势的方向由楞次定律确定 (1)线圈向右移动,通过矩形线圈的磁通量减少,由楞次定律可知,线圈中感应电动势的方向为顺时针方向(2)线圈绕 AD 轴旋转,当从0o到90o时,通过线
2、圈的磁通量减小,感应电动势的方向为顺时针方向从90o到180o时,通过线圈的磁通量增大,感应电动势的方向为逆时针.从180o到270o时,通过线圈的磁通量减少,感应电动势的方向为顺时针从270o到360o时,通过线圈的磁通量增大,感应电动势的方向为逆时针方向.(2)由于直导线在空间激发的磁场具有轴对称性,所以当矩形线圈以直导线为轴旋转时,通过线圈的磁通量并没有发生变化,所以,感应电动势为零.12-2 当我们把条形磁铁沿铜质圆环的轴线插入铜环中时,铜环内有感应电流和感应电场吗 如用塑料圆环替代铜质圆环,环中仍有感应电流和感应电场吗 解 当把条形磁铁沿铜质圆环的轴线插入铜环过程中,穿过铜环的磁通量
3、增加,铜环中有感应电流和感应电场产生;当用塑料圆环替代铜质圆环,由于塑料圆环中A B C D I 的没有可以移动的自由电荷,所以环中无感应电流和感应电场产生.12-3 如图所示铜棒在均匀磁场中作下列各种运动,试问在哪种运动中的铜棒上会有感应电动势其方向怎样设磁感强度的方向铅直向下()铜棒向右平移 图(a);()铜棒绕通过其中心的轴在垂直于B的平面内转动图(b);()铜棒绕通过中心的轴在竖直平面内转动图(c)解 在磁场中运动的导体所产生的感应电动势为dLvBl,在图(a)与(c)中的运动情况中,vB的方向与dl方向垂直,铜棒中没有感应电动势 在图(b)中,铜棒绕中心轴运动,左右两段产生的感应电动
4、势大小相等,方向相反,所以铜棒中总的感应电动势为零 12-4 有一面积为S的导电回路,其ne的方向与均匀磁场的B的方向之间的夹角为且B的值随时间变化率为ddBt.试问角为何值时,回路中i的值最大;角为何值时,回路中i的值最小请解释之 解 由idddcosSSdtdt BBS=,可得当0o时,回路中i的值最大,当90o时,回路中i的值最小.12-5 有人认为可以采用下述方法来测量炮弹的速度在炮弹的尖端插一根细B B B(a)(b)(c)neB小的永久磁铁,那么,当炮弹在飞行中连续通过相距为r的两个线圈后,由于电磁感应,线圈中会产生时间间隔为t的两个电流脉冲 您能据此测出炮弹速度的值吗如0.1mr
5、,4=2 10 st,炮弹的速度为多少 解 带有小磁铁的炮弹飞向线圈,线圈中会产生感应电流,测得的两个电流脉冲产生的时间间隔即炮弹飞过这两个线圈间距所用的时间.由题意可知,炮弹的速度为 1500 m srvt 12-6 如图所示,在两磁极之间放置一圆形的线圈,线圈的平面与磁场垂直.问在下述各种情况中,线圈中是否产生感应电流并指出其方向()把线圈拉扁时;()把其中一个磁极很快地移去时;()把两个磁极慢慢地同时移去时 解 这三种情况中,通过的磁通量均减小,线圈中均会产生感应电流,从上往下看,感应电流的方向沿顺时针方向.12-7 如图所示,均匀磁场被限制在半径为R的圆柱体内,且其中磁感强度随时间的变
6、化率ddBt 常量,试问:在回路1L和2L上各点的ddBt是否均为零各点的kE是否均为零1kdL El和2kdL El各为多少 解 由于磁场只存在于圆柱体内,在回路1L上各点ddBt为常量,在回路2L上各点ddBt为零.空间中各点的感生电场分布为 rR kd2 drBEt R2L1LrR 2kd2dRBErt 可见在回路1L和2L上各点的kE均不为零.对于在回路1L 11kddddddLLSStt BBElS 对于回路2L 22kdd0dLt El 12-8 一根很长的铜管铅直放置,有一根磁棒由管中铅直下落试述磁棒的运动情况 解 长直铜管可以看作由许多铜线圈组成,当磁棒下落,每通过一个线圈,线
7、圈中的磁通量都会发生变化,在下落过程中,铜管中始终会有感应电流产生,并且感应电流产生的磁场的方向与磁棒磁场方向相反,因此,磁棒始终受到铜管对它的阻碍作用.12-9 有一些矿石具有导电性,在地质勘探中常利用导电矿石产生的涡电流来发现它,这叫电磁勘探 在示意图中,A为通有高频电流的初级线圈,为次级线圈,并连接电流计,从次级线圈中的电流变化可检测磁场的变化当次级线圈检测到其中磁场发生变化时,技术人员就认为在附近有导电矿石存在你能说明其道理吗利用问题 12-9 图相似的装置,还可确定地下金属管线和电缆的位置,你能提供一个设想方案吗 解 该检测方法利用的原理是电磁感应。通有高频电流的初级线圈 A 产生的
8、交变磁场在导电矿石内产生涡电流,由涡电流产生的变化磁场,使其附近的次极线圈中 B 产生感应电流,引起电流计中指针偏转。(在探测中要使初、次级线圈的相对位置不变,以保证次级线圈 B 中感应电流的变化由导电矿石中涡电流产生的磁场引起。)要确定地下金属管线和电缆的位置,可以将通有高频电流的初级线圈A和接有电流计的次级线圈组成一个探测仪,使探测仪沿地面运动。当靠近金属管线时,管线中由于初级线圈的作用会产生感应电流,同时使得线圈 B 中产生感应电动势,电流计指针发生偏转,当电流计指针变化最大时,可以判断出管线在探测仪正下方.12-10 如图所示,一个铝质圆盘可以绕固定轴OO转动为了使圆盘在力矩作用下作匀
9、速转动,常在圆盘的边缘处放一永久磁铁圆盘受到力矩作用后先作加速运动,当角速度增加到一定值时,就不再增加,试说明其作用原理 解 我们可以把铝质圆盘看作许多根从盘中心到边缘的铝棒,当圆盘绕轴转动时,通过磁场的铝棒切割磁力线,铝棒中产生感应电动势,其方向由盘心指向边缘,同时在盘内闭合回路中产生感应电流,圆盘受到与外力矩相反的安培力力矩的作用.最初,外力矩大于安培力矩,圆盘做加速运动,角速度增大,同时安培力矩增大,导致圆盘加速度减小,当安培力力矩等于外力矩时,圆盘角加速度等于零,角速度增加到最大,安培力矩不再增加,圆盘匀速转动.12-11 如图所示,设有一导体薄片位于与磁感强度B垂直的平面上()如果B
10、突然改变,则在点P附近B的改变可不可以立即检查出来为什么()若导体薄片的电阻率为零,这个改变在点P是始终检查不出来的,为什么(若导体薄片是由低电阻的材料做成的,则在点P几乎检查不出导体薄片下侧磁场的变化,这种电阻率很小的导体能屏蔽磁场变化的现象叫做电磁屏蔽)BP 解(1)不能立即检测出来电磁场改变,在导体薄片内产生涡电流,会有电磁场产生,而电磁场在导体中衰减很快,不能通过导体,即大部分电磁场都会被导体屏蔽掉,所以对于导体一边电磁场的突变,在导体另外一边不能立即检测出来.(2)导体电阻率越小,即电导率越高,电磁场在其中的衰减越快,导体电磁屏蔽的效果越显著,当导体薄片的电阻率为零时,电磁场能被完全
11、屏蔽,因此,导体一边电磁场突变,在导体另外一边始终检测不出来.12-12 如果要设计一个自感较大的线圈,应该从哪些方面去考虑 解 线圈的自感只与线圈匝数、线圈大小和线圈中磁介质有关,要设计自感较大的线圈,需要用较细的导线绕制,以增加单位长度内的匝数,并选取较大磁导率的磁介质防于线圈内 12-13 有的电阻元件是用电阻丝绕成的,为了使它只有电阻而没有自感,常用双绕法(如图).试说明为什么要这样绕.解 将电阻丝双绕成一组线圈,当通入电流,相邻两根线圈中的电流流向相反,它们产生的磁场方向相反,通过回路线圈中总的磁通量为零,因此没有自感.12-14 有两个线圈,长度相同,半径接近相等,试指出在下列三种
12、情况下,哪一种情况的互感最大哪一种情况的互感最小(1)两个线圈靠得很近,轴线在同一直线上;(2)两个线圈相互垂直,也是靠得很近;(3)一个线圈套在另一个线圈的外面.解 互感的大小表示了两线圈的耦合程度,两线圈的互感除了跟线圈大小,形状、匝数有关,还与它们的相互位置有关.若一线圈中电流所产生的磁场贯穿另一个线圈的部分越大,它们之间的互感越大.在本题所述的三种情况中,第三种情况的互感最大,第二种情况中的互感最小.12-15 试从以下三个方面来比较静电场和有旋电场:(1)产生的原因;(2)电场线的分布;(3)对导体中电荷的作用.解(1)静电场是由空间中的静止电荷所激发的,有旋电场是由变化的磁场产生的
13、;(2)静电场中电场线是有源场,始于正电荷,终止于负电荷;有旋电场的电场线是闭合的;(3)它们对导体中的电荷都有作用力,但有旋电场对电荷的作用力不是库仑力,它对电荷作用促使电荷积累,形成电势差.12-16 变化电场所产生的磁场,是否也一定随时间发生变化磁场所产生电场,是否也一定随时间发生变化 解 不一定当电场随时间变化恒定时,它所产生的磁场恒定;当磁场随时间变化恒定时,它所产生的电场也是恒定的 习题 12-1 一铁心上绕有线圈100匝,已知铁心中磁通量与时间的关系为 5sin100 t,式中的单位为Wb,t的单位为s.求在21.0 10st时,线圈中的感应电动势.解 线圈中总的感应电动势为 1
14、d2.51V cos 100 sdNtt 在21.0 10st时,12.51V cos 100 s2.51Vt GrB 12-2 如图所示,用一根硬导线弯成半径为r的一个半圆.使这根半圆形导线在磁感强度为B的匀强磁场中以频率f旋转,整个电路的电阻为R,求感应电流的表达式和最大值.解 由于导线的转动,通过面积为212Sr的半圆形导线的磁通量发生改变,导线中会产生动生电动势 取初始时刻0t 时,导线平面的法线与磁场的夹角0.经过时间t导线平面转过的角度为 2 f t 所以穿过回路的磁通量随时间的变化式为 21coscos22tBSr Bf t 由法拉第电磁感应定律可知,回路中感应电动势为 22ds
15、in2dr f Bf tt 回路中感应电流为 22sin2r f BIf tR 感应电流的最大值为 22maxr f BIR 12-3 有一测量磁感强度的线圈,其截面积24.0 cmS,匝数160N 匝,电阻50R.线圈与一内阻30iR 的冲击电流计相连.若开始时线圈的平面与均匀磁场的磁感强度B相垂直,然后线圈的平面很快地转到与B的方向平行.此时从冲击电流计中测得电荷值54.0 10Cq.问此均匀磁场的磁感强度B的值为多少 解 线圈平面转动前后,通过线圈的磁链变化为 21NBS 此过程中流过导体截面的电量为 iiNBSqI ttRRtRR 由上式可知,磁感强度为 i0.05 Tq RRBNS
16、12-4 如图所示,一长直导线中通有5.0 AI 的电流,在距导线9.0 cm处,放一面积为20.10 cm,10匝的小圆线圈,线圈中的磁场可看作是均匀的.今在21.0 10s内把此线圈移至距长直导线10.0 cm处.求:(1)线圈中平均感应电动势;(2)设线圈的电阻为21.0 10,求通过线圈横截面的感应电荷 解 带电直导线激发的磁场为非均匀磁场,由于线圈面积较小,我们可以认为穿过线圈的磁场为均匀磁场.当线圈在19.0 cmr、210.0 cmr 处,通过线圈平面的磁链分别为 01112NISNB Sr 02222NISNB Sr 所以线圈中平均感应电动势为 802121111.11 10V
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