高中物理电磁学相关知识总结文档格式.docx
《高中物理电磁学相关知识总结文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理电磁学相关知识总结文档格式.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
闭合线圈面积不变，改变磁场强度，磁通量也会改变，也会发生电磁感应现象。
所以准确的定义如下：
因磁通量变化产生感应电动势的现象。
发现者
1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。
1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。
电磁阻尼[1]和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。
1831年8月，M.法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合回路，在导线下端附近
迈克尔·
法拉第
平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。
实验发现，合上开关，磁针偏转；
切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。
法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。
紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为5类：
变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。
进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。
后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。
并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。
编辑本段
法拉第一个很重要的实验
在一个空心纸筒上绕上一组和电流计联接的导体线圈，当磁棒插进线圈的过程中，电流计的指针发生了偏转，而在磁棒从线圈内抽出的过程中，电流计的指针则发生反方向的偏转，磁棒插进或抽出线圈的速度越快，电流计偏转的角度越大.但是当磁棒不动时，电流计的指针不会偏转.
对于线圈来说，运动的磁棒意味着它周围的磁场发生了变化，从而使线圈感生出电流.法拉第终于实现了他多年的梦想--用磁的运动产生电！
奥斯特和法拉第的发现，深刻地揭示了一组极其美妙的物理对称性：
运动的电产生磁，运动的磁产生电。
不仅磁棒与线圈的相对运动可以使线圈出现感应电流，一个线圈中的电流发生了变化，也可以使另一个线圈出现感应电流.
例如图中,我们将线圈1通过开关k与电源连接起来，在开关k合上或断开的过程中，线圈2就会出现感应电流.如果将与线圈1连接的直流电源改成交变电源，即给线圈1提供交变电流，也引起线圈2出现感应电流.这同样是因为，线圈1的电流变化导致线圈2周围的磁场发生了变化.
原理
电磁感应现象的发现，乃是电磁学领域中最伟大的成就之一。
它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。
电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。
事实证明，电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。
若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为：
E＝nΔΦ/Δt式中n为线圈匝数，ΔΦ为磁通量变化量，单位Wb，Δt为发生变化所用时间，单位为s.E为产生的感应电动势，单位为V
右手安培定理
伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线顺着从手心到指尖，大拇指指向导体运动的方向，那么其余四个手指所指的方向就是感应电流的方向。
计算公式
1.[感应电动势的大小计算公式]
1）E＝nΔΦ/Δt（普适公式）｛法拉第电磁感应定律，E：
感应电动势（V），n：
感应线圈匝数，ΔΦ/Δt:
磁通量的变化率｝
2）E＝BLVsinA（切割磁感线运动）E=BLV中的v和L不可以和磁感线平行，但可以不和磁感线垂直，其中sinA为v或L与磁感线的夹角。
｛L:
有效长度（m）｝
3）Em＝nBSω（交流发电机最大的感应电动势）｛Em:
感应电动势峰值｝
4）E＝B（L^2）ω/2（导体一端固定以ω旋转切割）｛ω:
角速度（rad/s），V:
速度（m/s），（L^2）指的是L的平方｝
2.磁通量Φ＝BS{Φ:
磁通量（Wb）,B:
匀强磁场的磁感应强度（T）,S:
正对面积（m2）}计算公式△Φ=Φ1-Φ2，△Φ=B△S=BLV△t
3.感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定｛电源内部的电流方向：
由负极流向正极｝
*4.自感电动势E自＝nΔΦ/Δt＝LΔI/Δt｛L:
自感系数（H）（线圈L有铁芯比无铁芯时要大），ΔI:
变化电流，?
t:
所用时间，ΔI/Δt:
自感电流变化率（变化的快慢）｝
△特别注意Φ，△Φ，△Φ/△t无必然联系，E与电阻无关E=n△Φ/△t。
电动势的单位是伏V，磁通量的单位是韦伯Wb，时间单位是秒s。
感应电流产生的条件
1.电路是闭合且通的
2.穿过闭合电路的磁通量发生变化
3.电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动（切割磁感线运动就是为了保证闭合电路的磁通量发生改变）
此三个条件中，缺少条件1，则不会产生感应电流，但是感应电动势仍然存在（前提是有磁通量的变化）；
若缺少条件2，则必定不会产生感应电动势，也就无感应电流产生；
若缺少条件3，则要看清状态，若闭合回路的磁通量发生变化而无切割磁感线，如：
闭合线圈静止在磁感应强度变化的磁场中，此时仍然有感应电流产生；
若闭合回路的磁通量为发生变化而闭合回路在切割磁感线，则此时回路中无感应电流产生。
电磁感应现象中之所以强调闭合电路的"
一部分导体"
，是因为当整个闭合电路切割磁感线时，左右两边产生的感应电流方向分别为逆时针和顺时针，对于整个电路来讲电流抵消了。
电磁感应中的能量关系
电磁感应是一个能量转换过程，例如可以将重力势能，动能等转化为电能，热能等
应用
发电机
法拉第碟片发电机。
碟片以角速率ω旋转，在静磁场B中环行地扫过导电的半径。
磁洛伦兹力v×
B，沿着导电半径到导电边沿驱动着电流，并从那里经由下电刷及支撑碟片的轴完成电路。
因此，电流由机械运动所产生。
由法拉第电磁感应定律因电路及磁场的相对运动所造成的电动势，是发电机背后的根本现象。
当永久性磁铁相对于一导电体运动时（反之亦然），就会产生电动势。
如果电线这时连着电负载的话，电流就会流动，并因此产生电能，把机械运动的能量转变成电能。
例如，基于图四的鼓轮发电机。
另一种实现这种构想的发电机就是法拉第碟片，简化版本见图八。
注意使用图五的分析，或直接用洛伦兹力定律，都能得出使用实心导电碟片运作不变的这一结果。
在法拉第碟片这一例子中，碟片在与碟片垂直的均匀磁场中运动，导致一电流因洛伦兹力流到向外的轴臂里。
明白机械运动是如何成为驱动电流的必需品，是很有趣的一件事。
当生成的电流通过导电的边沿时，这电流会经由安培环路定理生成出一磁场（图八中标示为"
InducedB"
）。
因此边沿成了抵抗转动的电磁铁（楞次定律一例）。
在图的右边，经转动中轴臂返回的电流，通过右边沿到达底部的电刷。
此一返回电流所感应的磁场会抵抗外加的磁场，它有减少通过电路那边通量的倾向，以此增加旋转带来的通量。
因此在图的左边，经转动中轴臂返回的电流，通过左边沿到达底部的电刷。
感应磁场会增加电路这边的通量，减少旋转带来的通量。
所以，电路两边都生成出抵抗转动的电动势。
尽管有反作用力，需要保持碟片转动的能量，正等于所产生的电能（加上由于摩擦、焦耳热及其他消耗所浪费的能量）。
所有把机械能转化成电能的发电机都会有这种特性。
虽然法拉第定律经常描述发电机的运作原理，但是运作的机理可以随个案而变。
当磁铁绕着静止的导电体旋转时，变化中的磁场生成电场，就像麦克斯韦-法拉第方程描述的那样，而电场就会通过电线推着电荷行进。
这个案叫感应电动势。
另一方面，当磁铁静止，而导电体运动时，运动中的电荷的受到一股磁力（像洛伦兹力定律所描述的那样），而这磁力会通过电线推着电荷行进。
这个案叫运动电动势。
（更多有关感应电动势、运动电动势、法拉第定律及洛伦兹力的细节，可见上例或格里夫斯一书。
[20]）
电动机
发电机可以"
反过来"
运作，成为电动机。
例如，用法拉第碟片这例子，设一直流电流由电压驱动，通过导电轴臂。
然后由洛伦兹力定律可知，行进中的电荷受到磁场B的力，而这股力会按佛来明左手定则订下的方向来转动碟片。
在没有不可逆效应（如摩擦或焦耳热）的情况下，碟片的转动速率必需使得dΦB/dt等于驱动电流的电压。
变压器
法拉第定律所预测的电动势，同时也是变压器的运作原理。
当线圈中的电流转变时，转变中的电流生成一转变中的磁场。
在磁场作用范围中的第二条电线，会感受到磁场的转变，于是自身的耦合磁通量也会转变（dΦB/dt）。
因此，第二个线圈内会有电动势，这电动势被称为感应电动势或变压器电动势。
如果线圈的两端是连接着一个电负载的话，电流就会流动。
电磁流量计
法拉第定律可被用于量度导电液体或浆状物的流动。
这样一个仪器被称为电磁流量计。
在磁场B中因导电液以速率为v的速度移动，所生成的感应电压ε可由以下公式求出：
其中?
为电磁流量计中电极间的距离。
电磁阻尼
电磁阻尼现象源于电磁感应原理。
宏观现象即为：
当闭合导体与磁极发生相对运动时，两者之间会产生电磁阻力，阻碍相对运动。
这一现象可以用楞次定律解释：
闭合导体与磁极发生切割磁感线的运动时，由于闭合导体所穿透的磁通量发生变化，闭合导体会产生感生电流，这一电流所产生的磁场会阻碍两者的相对运动。
其阻力大小正比于磁体的磁感应强度、相对运动速度等物理量。
电磁阻尼现象广泛应用于需要稳定摩擦力以及制动力的场合，例如电度表、电磁制动机械，甚至磁悬浮列车等。
为了简单可靠地增加系统的稳定性、抑制转子的共振峰值．提出了一种新型的被动式电磁阻尼器．它的结构类似于电磁轴承．但无需闭环控制，采用直流电工作。
通过分析发现，电磁阻尼器线圈内由于转子涡动时变化的磁场而产生的波动电流与转子位移间的相位差是产生阻尼的原因，推导了波动电流、阻尼系数的计算公式。
实验结果显示该阻尼器提供的阻尼能够有效地抑制共振振幅。
电磁阻尼:
在磁场中转动的线圈，会产生感应电动势。
若线圈的外电路闭合，则在线圈中会产生感应电流。
磁场对感应电流将产生安培力，形成与原来转动方向相反的力偶矩，对线圈的转动起阻尼作用。
下列两种方法，分别演示短路线接上后，对灵敏电流计和电动机的电磁阻尼效果。
方法一
目的演示灵敏电流计的短路保护。
器材灵敏电流计，导线等。
操作
（1）将灵敏电流计摇动后，使指针有较大的摆动幅度。
停止摇动后，可观察指针要摆动多次，经一定时间才能停止下来。
（2）再次摇动灵敏电流计，使其有较大的摆幅。
立即在两个接线柱上接上一根导线（短路线），可发现指针摆幅迅速减小，比不连短路线时摆动的时间短得多。
这是由于与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了感应电流，线圈受到安培力形成的阻力矩的作用，使指针摆幅迅速衰减。
这样能起到阻尼保护的作用。
（3）再摇动已连上短路线的灵敏电流计，可见指针摆动幅度很小，且迅速停下。
理由同操作
（2）。
说明
（1）通常JD409或JD409-1型灵敏电流计的阻尼时间小于4S，因为此种灵敏电流计的动圈铝框是闭合的，已有一定的阻尼作用。
所以本演示中最好采用老式的灵敏电流计（内部动圈铝框是不闭合的），演示短路阻尼效果更好。
（2）本实验说明灵敏电流计不用时，应在两接线柱上加上短路线，以达到阻尼保护的作用。
防止在搬动或运输过程中，电流计受到振动，指针振幅过大而被撞弯或轴尖脱落等情况。
方法二
目的演示电动机的短路制动方法。
器材玩具电机，单刀双位开关，干电池，导线等。
（1）将玩具电动机、两节干电池、单刀双位开关用导线连接如图。
（2）将单刀双位开关扳到a，电动机即高速转动。
切断电源，可见电动机断电后，仍能较长时间保持转动。
记下从切断电源到完全停转的时间。
（3）再次将开关扳到a，电动机高速转动后，即将单刀双位开关扳到b。
发现电动机会迅速停止转动。
与操作
（2）形成明显对比。
这是因为已经高速转动的电动机转子，在切断供电后，仍在磁场中高速转动，转子中会产生感应电动势。
若这时将外电路闭合（如开关打到b），在电路中会产生感应电流，这时相当于一个发电机。
具有感应电流的转子线圈，受到安培力力偶矩的制动作用，会使转动迅速停止下来。
故这时电动机外部的短路线起到了对转子的电磁阻尼作用。
楞次定律
Lenzlaw
感应电动势趋于产生一个电流，该电流的方向趋于阻止产生此感应电动势的磁通的变化。
所属学科：
电力（一级学科）；
通论（二级学科）
本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
百科名片
楞次定律公式
楞次定律（Lenzlaw）是一条电磁学的定律，从电磁感应得出感应电动势的方向。
其可确定由电磁感应而产生之电动势的方向。
它是由俄国物理学家海因里希·
楞次（HeinrichFriedrichLenz）在1834年发现的。
楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现。
楞次定律还可表述为：
感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。
简述
1.计算公式
2.表述
楞次定律的表述及特点
楞次定律的实质
学习难点分析
1.从静到动的一个飞跃
2.内容、关系的复杂性
3.学生知识、能力的不足
突破难点的方法
1.正确理解"
楞次定律"
及"
阻碍"
的含义
2.应用"
判定感应电流方向的步骤
3.弄清最基本的因果关系
4.正确认识"
与能量转化的关系
5.多角度理解"
6.与之相关的解题方法
简述
计算公式
其中E是感应电势，N是线圈圈数，Φ是磁通量[1]。
感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
楞次定律
注意：
"
不是"
相反"
，原磁通量增大时方向相反，原磁通量减小时方向相同；
也不是阻止，电路中的磁通量还是变化的。
1833年，楞次在概括了大量实验事实的基础上，总结出一条判断感应电流方向的规律，称为楞次定律（Lenzlaw）。
表述
楞次定律可表述为：
闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
楞次定律也可简练地表述为：
感应电流的效果，总是阻碍引起感应电流的原因。
楞次定律的表述及特点
楞次定律图解
楞次定律的表述可归结为：
感应电流的效果总是反抗引起它的原因。
如果回路上的感应电流是由穿过该回路的磁通的变化引起的，那么楞次定律可具休表述为：
感应电流在回路中产生的磁通总是反抗（或阻碍）原磁通的变化。
我们称这个表述为通量表述，这里感应电流的"
效果"
是在回路中产生了磁通；
而产生感应电流的原因则是"
原磁通的变化"
。
可以用四个字来形象记忆"
来阻去留"
如果感应电流是由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的，那么楞次定律可具体表述为：
运动导体上的感应电流受的磁场力（安培力）总是反抗（或阻碍）导体的运动。
我们不妨称这个表述为力表述，这里感应电流的"
是受到磁场力；
而产生感应电流的"
原因"
是导体作切割磁感线的运动。
从楞次定律的上述表述可见，楞次定律并没有直接指出感应电流的方向，它只是概括了确定感应电流方向的原则，给出了确定感应电流的程序。
要真正掌握它，必须要求对表述的涵义有正确的理解，并熟练掌握电流的磁场及电流在磁场中受力的规律。
以"
通量表述"
为例，要点是感应电流的磁通反抗引起感应电流的原磁通的变化，而不是反抗原磁通。
如果原磁通是增加的，那么感应电流的磁通要反抗原磁通的增加，就一定与原磁通的方向相反；
如果原磁通减少，那么感应电流的磁通要反抗原磁通的减少，就一定与原磁通的方向相同。
在正确领会定律的上述涵义以后，就可按以下程序应用楞次定律判断感应电流的方向：
a.穿过回路的原磁通的方向，以及它是增加还是减少；
b.根据楞次定律表述的上述涵义确定回路中感应电流在该回路中产生的磁通的方向；
c.根据回路电流在回路内部产生磁场的方向的规律（右手螺旋法则），由感应电流的磁通的方向确定感应电流的方向。
以力表述为例，其要点是感应电流在磁场中受的安培力的方向，总是与导体运动的方向成钝角，从而阻碍导体的运动．因此应用它来确定感应电流的程序是：
a.明确磁场B的方向和导体运动的方向；
b.根据楞次定律的上述涵意明确感应电流受安培力的方向；
c.根据安培力的规律确定感应电流的方向。
可见正确掌握楞次定律并能应用，不仅要求准确理解其涵义，还必须掌握好电流的磁场和电流在磁场中受力（安培力）的规律。
在楞次于1834年发表楞次定律时无磁通这一概念（磁通概念是法拉第于1846年才提出来的），因此定律不可能具有现在的表述形式。
楞次是在综合法拉第电磁感应原理（发电机原理）和安培力原理的基础上，以"
电动机发电机原理"
的形式提出这个定律的。
其基本思想是：
用电动机原理代替发电机原理来确定感应电流的方向，即：
导线回路在磁场中运动时，产生感应电流（即发电机的电流）的方向，与通电导体回路在磁场力作用下作相同运动时、应通过的电流（电动机电流）的方向相反．以两个端面互相平行的线圈为例，使A线圈固定，B线圈可移动．若令A线圈通以电流，让B线圈向A运动，则B线圈上将产生感应电流。
用"
判断此感应电流的方向的程序如下：
假定B作为电动机线圈，通电后受A线圈电流磁场的作用力而向着A运动（电动机），根据安培力规律（或电动机原理），要求B线圈的电流应与A线圈的电流有相同的绕行方向。
于是根据楞次的"
所求B线圈上的感应电流的绕行方向与A线圈上电流的绕行方向相反。
楞次本人对定律的叙述似乎直接涉及到感应电流的方向。
但要作出判断仍然必须通过"
对作相同运动的电动机的电流"
方向作出判断之后，才能确定由导线在磁场中运动产生的感应电流的方向，故实际上仍然只是给出了确定感应电流方向的原则，必须在对电动机原理有充分掌握的基础上，按一定的程序确定感应电流的方向。
楞次定律的实质
楞次定律可以有不同的表述方式，但各种表述的实质相同，楞次定律的实质是：
产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律，如果感应电流的方向违背楞次定律规定的原则，那么永动机就是可以制成的。
下面分别就三种情况进行说明：
（1）如果感应电流在回路中产生的磁通量加强引起感应电流的原磁通变化，那么，一经出现感应电流
，引起感应电流的磁通变化将得到加强，于是感应电流进一步增加，磁通变化也进一步加强......感应电流在如此循环过程中不断增加直至无限。
这样，便可从最初磁通微小的变化中（并在这种变化停止以后）得到无限大的感应电流。
这显然是违反能量守恒定律的。
楞次定律指出这是不可能的，感应电流的磁通必须反抗引起它的磁通变化，感应电流具有的以及消耗的能量，必须从引起磁通变化的外界获取。
要在回路中维持一定的感应电流，外界必须消耗一定的能量。
如果磁通的变化是由外磁场的变化引起的，那么，要抵消从无到有地建立感应电流的过程中感应电流在回路中的磁通，以保持回路中有一定的磁通变化率，产生外磁场的励磁电流就必须不断增加与之相应的能量，这只能从外界不断地补充。
（2）如果由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的感应电流在磁场中受的力（安培力）的方向与运动方向相同，那么，感应电流受的磁场力就会加快导体切割磁感线的运动，从而又增大感应电流。
如此循环，导体的运动将不断加速，动能不断增大，电流的能量和在电路中损耗的焦耳热都不断增大，却不需外界做功，这显然是违背能量守恒定律的。
楞次定律指出这是不可能的，感应电流受的安培力必须阻碍导体的运动，因此要维持导体以一定速度作切割磁感线运动，在回路中产生一定的感应电流，外界必然反抗作用于感应电流的安培力做功。
（3）如果发电机转子绕组上的感应电流的方向，与作同样转动的电动机转子绕组上的电流方向相同，那么发电机转子绕组一经转动，产生的感应电流立即成了电动机电流，绕组将加速转动，结果感应电流进一步加强，转动进一步加速。
如此循环，这个机器既是发电机，可输出越来越大的电能，又是电动机，可以对外做功，而不花任何代价（除使转子最初的一动而外），这显然是破坏能量守恒定律的永动机。
楞次定律指出这是不可能的，发电机转子上的感应电流的方向应与转子作同样运动的电机电流的方向相反。
综上所述，楞次定律的任何表述，都是与能量守恒定律相一致的。
概括各种表述"
感应电流的效果总是反抗产生感应电流的原因"
，其实质就是产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律。
学习难点分析
从静到动的一个飞跃
学习"
之前所学的"
电场"
和"
磁场"
只是局限于"
静态场"
考虑，而"
所涉及的是变化的磁场与感应电流的磁场之间的相互关系，是一种"
动态场"
，并且"
静到动"
是一个大的
升级会员 