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高中物理 第1章 電磁感應 第1節(jié) 磁生電的探索 認識磁生電與電生磁素材 魯科版選修3-2

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1、認識“磁生電”與“電生磁”   磁是什么?一般提起磁,有些人都覺得磁是較為少見的,好像主要就是磁石或磁鐵吸引鐵,情況真是這樣嗎?現(xiàn)代科學的發(fā)展已經(jīng)表明這樣的看法是不對的?,F(xiàn)代科學研究和實際應用已經(jīng)充分證實:任何物質都具有磁性,只是有的物質磁性強,有的物質磁性弱;任何空間都存在磁場,只是有的空間磁場高,有的空間磁場低。所以說包含物質磁性和空間磁場的磁現(xiàn)象是普遍存在的。   電和磁是不可分割的,它們始終交織在一起。簡單地說,就是電生磁、磁生電。   一、磁生電   如果把一個螺線管兩端接上檢測電流的檢流計,在螺線管內(nèi)部放置一根磁鐵。當把磁鐵很快地抽出螺線管時,可以看到檢流計指

2、針發(fā)生了偏轉,而且磁鐵抽出的速度越快,檢流計指針偏轉的程度越大。同樣,如果把磁鐵插入螺線管,檢流計也會偏轉,但是偏轉方向和抽出時相反。   為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢?我們已經(jīng)知道,磁鐵會向周圍的空間發(fā)出磁力線。如果把磁鐵放在螺線管中,那么磁力線就會穿過螺線管。這時,如果把磁鐵抽出,磁鐵遠離了螺線管,將造成穿過螺線管的磁力線數(shù)目減少(或者說線圈內(nèi)部的磁通量減少)。正是這種穿過螺線管的磁力線數(shù)目(也就是磁通量)的變化使得螺線管中產(chǎn)生了感生電動勢。如果線圈閉合,就產(chǎn)生電流,稱為感生電流。如果磁鐵是插入螺線管內(nèi)部,這時穿過螺線管的磁力線增多,產(chǎn)生的感生電流和磁鐵抽出時相反。   那么,如

3、何決定線圈中感生電動勢的大小和方向呢?從上面的實驗我們知道,磁鐵抽出的快慢決定檢流計指針的偏轉程度,這實際上是說,線圈中的感生電動勢的大小與線圈內(nèi)部磁通量的變化率成正比。這稱為法拉第定律。   通過實驗我們可以證實,如果磁鐵抽出,導致線圈中的磁通量減少,那么在線圈中產(chǎn)生的感生電流的方向是它所產(chǎn)生的磁通量能夠補償由于磁鐵抽出引起的磁通量降低,也就是說,感生電流所產(chǎn)生的磁通量總是阻礙線圈中磁通量的變化。這稱為楞次定律。如圖所示,如果磁鐵從線圈中向上抽出,將使得線圈中的磁通量減少,這時如果線圈是閉合的,線圈中產(chǎn)生感生電流,該感生電流的方向是:它產(chǎn)生的磁力線的方向也指向下方,以補償由于磁

4、鐵抽出導致的磁通量減少。   變化的磁場可以在線圈中感應出電流,這就是發(fā)電機和麥克風的基本原理。   二、電生磁   如果一條直的金屬導線通過電流,那么在導線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場。導線中流過的電流越大,產(chǎn)生的磁場越強。磁場成圓形,圍繞導線周圍。磁場的方向可以根據(jù)“右手定則”(如圖)來確定:將右手拇指伸出,其余四指并攏彎向掌心。這時,拇指的方向為電流方向,而其余四指的方向是磁場的方向。實際上,這種直導線產(chǎn)生的磁場類似于在導線周圍放置了一圈N、S極首尾相接的小磁鐵的效果。 圖3??右手定則 如果將一條長長的金屬導線在一個空心筒上沿一個方向纏繞起來,形成的物體我們稱

5、為螺線管。如果使這個螺線管通電,那么會怎樣?通電以后,螺線管的每一匝都會產(chǎn)生磁場,磁場的方向如圖中的圓形箭頭所示。那么,在相鄰的兩匝之間的位置,由于磁場方向相反,總的磁場相抵消;而在螺線管內(nèi)部和外部,每一匝線圈產(chǎn)生的磁場互相疊加起來,最終形成了如圖所示的磁場形狀。也可以看出,在螺線管外部的磁場形狀和一塊磁鐵產(chǎn)生的磁場形狀是相同的。而螺線管內(nèi)部的磁場剛好與外部的磁場組成閉合的磁力線。在圖中,螺線管表示成了上下兩排圓,好像是把螺線管從中間切開來。上面的一排中有叉,是表示電流方向垂直指向熒光屏里;下面的一排中有一個黑點,表示電流方向垂直流向熒光屏外。 圖4 ?螺旋管電磁場   電

6、生磁的一個應用實例是實驗室常用的電磁鐵。為了進行某些科學實驗,經(jīng)常用到較強的恒定磁場,但只有普通的螺線管是不夠的。為此,除了盡可能多地繞制線圈以外,還采用兩個相對的螺線管靠近放置,使得它們的N、S極相對,這樣兩個線包直接就產(chǎn)生了一個較強的磁場。另外,還在線包中間放置純鐵(稱為磁軛),以聚集磁力線,增強線包中間的磁場,如圖所示。 圖5 電磁鐵 圖6 ?電磁鐵磁極   對于一個很長的螺線管,其內(nèi)部的磁場大小用下面的公式計算:H=nI   在這個公式中,I是流過螺線管的電流,n是單位長度內(nèi)的螺線管圈數(shù)。   如果有兩條通電的直導線相互靠近,會發(fā)生什么現(xiàn)象?我們首先假設兩條導線的通電電流方向相反,圖(a)所示。那么,根據(jù)上面的說明,兩條導線周圍都產(chǎn)生圓形磁場,而且磁場的走向相反。在兩條導線之間的位置會是說明情況呢?不難想象,在兩條導線之間,磁場方向相同。這就好像在兩條導線中間放置了兩塊磁鐵,它們的N極和N極相對,S極和S極相對。由于同性相斥,這兩條導線會產(chǎn)生排斥的力量。類似地,如果兩條導線通過的電流方向相同,圖(b)所示,它們會互相吸引。 圖7 ?通電導線的磁場   如果一條通電導線處于一個磁場中,由于導線也產(chǎn)生磁場,那么導線產(chǎn)生的磁場和原有磁場就會發(fā)生相互作用,使得導線受力。這就是電動機和喇叭的基本原理。

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