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谈谈感应电流的产生条件
伍佑中学金飞
摘要在电磁感应现象中,感应电流的产生通常应具备两个条件,即电路闭合和磁通量变化。但在有些特殊情形中,似乎出现了例外的情况,本文拟通过对这些实例的分析和研究,进一步加深对电磁感应现象的理解。
关键词电磁感应、感应电流、产生条件、闭合电路、磁通量
高中物理教材(人教课标版)选修3-2第四章的第2节《探究感应电流的产生条件》,通过对闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动、磁铁插入和拔出闭合线圈、模拟法拉第对磁生电的探究等一系列实验的分析与归纳,得到如下结论:“只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,闭合导体回路中就有感应电流”。诚然,在一般情况下,电路闭合与磁通量变化应确实是产生感应电流的两个必要条件。但也有人认为,在某些特例中,感应电流的产生似乎并不一定要满足上述条件。本文拟针对这些所谓的特例,进行深入的探讨和分析,并提出个人的一些看法,与大家探讨。
1电路不闭合也能产生感应电流?
教材(同上)第3节《楞次定律》后面“问题与练习”中的第6题是这样的:
图1图1中的A和B都是铝环,环A是闭合的,环B是断开的,横梁可以绕中间的支点转动。用磁铁的任意一极去接近A环,会产生什么现象?把磁铁从A环移开,会产生什么现象?磁极移近或远离B环时,又会产生什么现象?解释发生的现象。
图1
对于磁极移近或远离有缺口的B环的情况,人教社配套的教师教学用书是这样解释的:“由于B环是断开的,无论磁极移近或远离B环,都不会在B环中形成感应电流,所以B环不移动。”
这是大家熟悉的“楞次环”实验,中学物理实验室一般都有这样的装置,不少教师也会演示这个实验。由于将普通条形磁铁插入A环时,A环中产生的感应电流毕竟很小,楞次环产生的转动效果不是很理想,于是有人换用圆柱形钕铁硼磁铁,钕铁硼磁铁俗称“磁王”,磁性是普通铁氧体磁铁的10多倍。笔者将4块直径2.0cm、高度3.0cm的钕铁硼磁铁串接起来,当作条形磁铁使用,重复上述实验,转动效果十分显著。出人意料的是,当把磁铁迅速插入、拔出B环时,B环竟然也像A环一样,发生了同样情形的转动!尽管转动幅度没有A环明显,但完全能够观察,多次重复实验,结果一致。
B环发生转动,说明B环内产生了感应电流,这究竟怎么回事呢?下面笔者尝试作出解释:根据麦克斯韦电磁场理论,不论铝环闭合与否,只要穿过铝环的磁通量发生变化,都会在铝环所在的周围空间激发感应(涡旋)电场,这个电场将推动铝环中的自由电子定向移动,产生感应电动势E,其大小满足法拉第电磁感应定律,在这里,自由电子所受的感应电场力就是产生感生电动势的非静电力。对有缺口的B环来说,由于存在感应电动势,从而使整个铝环相当于一个没有接入外电路的电源,缺口的两端就是电源的正负极。我们知道,常见的电源比如干电池或者蓄电池,电动势基本是不变的,如果电池不接外电路,其内部不会有电流存在。但在这里,铝环中原来并没有电动势,且磁铁插入(或拔出)铝环过程,磁通量的变化率也并非恒定不变,所以环内电动势必定从零开始逐步增加,这个过程可能时间很短,但绝不等于零。因此在这很短的时间内,环中必然存在从(等效电源)负极流向正极的电流,正是这个电流使铝环与磁铁发生相互作用而转动。
BA图2ECK我们甚至还可以这样理解:将铝环看成电源,铝环正对的缺口部分看成电容器,如图2所示。在图2右侧的电路中,当开关K闭合时,尽管电容器两极板之间并不导通(即电路不闭合),但电路中仍会存在短暂的充电电流。所以当磁铁插入、拔出铝环,电动势增大的同时也发生着电源对电容器的充电
BA
图2
E
C
K
上述分析,似乎支持电路不闭合也能产生感应电流的观点,其实不然。我们知道,在直流电路中,大家都会承认:电路如果是断开的,则电路中不会产生电流。但也有些特殊情况,比如电路中串接有电容器的时候,即使电键闭合了,由于电容器的两极之间是绝缘的,整个回路仍然可看成是断开的。并且在暂态过程中,回路是可能存在充电和放电电流的。不过,通常情况下,我们并没有因为这个暂态过程,而否定“电路断开则电路中没有电流”的说法,否则,无异于因噎废食,显然,图1的例子也与此类似。加之,在电磁感应中,我们所说的感应电流应由感应电动势产生,其大小满足于闭合电路的欧姆定律,而非所谓类似的电容器充放电的情况。因此这种情形不能看成电路闭合的例外。
2磁通量不变也能产生感应电流?
图3abcd教材(同上)第2节《探究感应电流的产生条件》“问题与练习”中第1
图3
a
b
c
d
教师教学用书认为回路磁通量不变,线框中不会产生感应电流。如果我们再从电磁感应的本质作深入分析,还会发现这样的奇怪现象:ab边、dc边中存在电流。如图4所示,这是图4线框中ab边的一个局部放大图,当线框以速度v1向右切割磁感线运动时,ab边中的自由电子将受到
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