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大学物理教程:动生电动势的产生及计算

时间:2023-08-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:当回路或其中一部分在磁场中有相对磁场的运动,就有磁通量的变化,这样产生的感应电动势称为动生电动势。图13-4动生电动势2.动生电动势的计算动生电动势的产生是由作用在运动电荷上的磁场力引起的,可以用洛伦兹力来解释。由式可知,当v//B或(v×B)⊥dl时,该处运动的导体内将不产生动生电动势。只有当导体切割磁感线时,在导体中才产生动生电动势。

大学物理教程:动生电动势的产生及计算

1.动生电动势

法拉第电磁感应定律表明,不论什么原因,只要穿过回路面积的磁通量发生了变化,回路中就有感应电动势产生。当回路或其中一部分在磁场中有相对磁场的运动,就有磁通量的变化,这样产生的感应电动势称为动生电动势。

如图13-4所示,在匀强磁场B中有一固定的U形导线框,上面挂一长度为L的活动导线,当导线以与B垂直的速度v向右平移x的距离时,通过回路所包围面积的磁通量为Φ=BS=BLx。由于导线的移动,使得x发生变化,磁通量随之发生变化,于是回路动生电动势大小为

楞次定律可判断,该电动势的方向为a指向b。

图13-4 动生电动势

2.动生电动势的计算

动生电动势的产生是由作用在运动电荷上的磁场力引起的,可以用洛伦兹力来解释。当导体以速度v向右移动时,导体中的自由电子也以速度v随之向右移动。自由电子受到的洛伦兹力为

f的方向为由b指向a,如图13-5所示。在洛伦兹力作用下,自由电子向下定向移动,在回路abcd中产生逆时针方向的电流

图13-5 自由电子受洛伦兹力作用

如果导轨是绝缘体,则洛伦兹力使自由电子在a端积累,使a端带负电而b端带正电,在导体ab上产生自上而下的静电场。静电场对自由电子的作用力与其所受洛伦兹力方向相反。当自由电子所受静电力与洛伦兹力达到平衡时,导体ab间的电势差达到稳定值。由此可见,运动的导体棒相当于一个电源,它的非静电力就是洛伦兹力。(www.xing528.com)

电动势的定义为将单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极过程中非静电力所做的功。在动生电动势的情形中,非静电力Ek是洛伦兹力,即

所以动生电动势的一般表达式为

如果导体是直导线、匀强磁场、导线垂直磁场平行平移的特殊情况,动生电动势的表达式为式(13-4)的形式。

动生电动势只存在于运动的导体上,但并非在磁场中运动的导体都能产生动生电动势。由式(13-7)可知,当v//B或(v×B)⊥dl时,该处运动的导体内将不产生动生电动势。只有当导体切割磁感线时,在导体中才产生动生电动势。

例13-1 如图13-6所示,一根长度为L的铜棒ab,在磁感应强度为B的匀强磁场中,以角速度ω在与磁场方向垂直的平面上绕端点a作匀速转动。试求在铜棒中产生的感应电动势和铜棒两端的电势差Uab

图13-6 例13-1图

解 在ab上选取dl距轴为l,正方向为由a到b,其速度v与B垂直且(v×B)与dl方向相反,故由动生电动势公式得

方向由b指向a,即a点电势比b点电势高。

ab两点电势差为

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