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工科物理大作业09-电磁感应与电磁场

2021-05-25 来源:客趣旅游网
09 电磁感应与电磁场

一、选择题

(在下列各题中,均给出了4个~5个答案,其中有的只有1个是正确答案,有的则有几个是正确答案,请把正确答案的英文字母序号填在题后的括号内)

1.如图9-1所示,在无限长载流直导线旁,放置一圆形导体线框,且线框平面与直导线共面。则在下列情况下线框会产生感应电动势的是:

A.线框与直导线相对静止; B.线框的速度v沿纸面向上运动; C.直导线的电流IIO 图9-1

I0sint,线框与直导线相对静止;

D.线框绕过圆心O且垂直纸面的轴以角速度 转动;

E.线框以速度v向右远离直导线运动。 (C、E) [知识点] 法拉第电磁感应定律,由磁通量m变化判断。

[分析与解答] 判断线框在磁场中是否有感应电动势,只要看通过它的磁通量

mBdSBcosθdS是否发生变化即可,在A、B、D所示线圈中没有感应电动势因为磁通

SS量不变化;在C所示线框中有感应电动势,因为直导线电流在变化,磁场B在变化,则m会发生变化;而在E所示线框中也有感应电动势,因为离直导线越远,磁场越弱,m减小;。

2.如图9-2所示,通过导体线圈的磁感线减少了,则线圈内感应电动势的方向为:

A.顺时针; B.逆时针; C.iBB0; D.无法判断。 (B)

dm的负号意义。 dt 图9-2

[知识点] εi[分析与解答] 由楞次定理知,原来磁场方向向上并减弱,磁通量减少了,感应电流产生的磁场要阻碍向上的磁通量的减少,则会“减则同”,即其方向会与变化的磁场相同,则由右手螺旋法则知线圈内感应电动势的方向为逆时针。

3.如图9-3(a)所示,将一根导线弯折成半径为R的3/4圆周abcde,置于均匀磁场B中,当导线沿aoe的分角线方向以v向右运动时,导线中产生的感应电动势i为:

A.

bBcav2BRv; B.0; 2Oed 图9-3(a)

C.BRv; D.2BRv。 (D) [知识点] 补偿法,动生电动势分析与计算.

[分析与解答] 将圆弧导线abcde的a、e端用一直导线连接,形成如图9-3(b)所示的闭合回路。

当回路整体以速度v向右运动时,通过回路的磁通量不变,由法拉第电磁感应定律知,回路中电动势之和为零。即 abcdeaabcdeea0 又由动生电动势公式i eaabBcavOed 图9-3(b)

vBdl分析可知直导线ea电动势为

2RvB

vBdlvBeae则从上分析可知,导线abcde中的电动势与直导线ea电动势大小必相等,即圆弧形导线abcde上的电动势为

abcdeea2RvB,负号表示其方向相反

4. 如图9-4所示,M、N为水平面内的两根平行金属导轨,ab与cd为垂直于导轨并可在其上自由滑动的两根直导线,外磁场B垂直于水平面且向上,当外力使ab向右平移时,则cd的运动情况为:

A.不动; B.转动;

C.向左移动; D.向右移动。 ( D )

[知识点] 动生电动势与安培力。

NdaMcBbv

图9-4

[分析与解答] 由于直导线ab处于均匀磁场B中,且速度、磁场与杆的方向三者垂直,有电动势

iBvab,电动势的方向就是vB的方向,则当ab向右平移时,会在abcda闭合回路中形成方

向为b→a→d→c顺时针的感应电流;又由安培定律dFIdlB知,直导线cd会受到向右的安培力的作用,直导线将会向右移动。

5.如图9-5所示,一导体棒ab,长为L,处于均匀磁场B中,绕通过c点垂直于棒的OO轴在水平面内转动,已知ac A.ab2L。则导体棒中感应电动势和a、b两端点的电势大小关系为: 31BL2,UaUb; 61BL2,UaUb; 6B.abC.ab0,UaUb;

D.ab0,有时UaUb,有时UaUb。 (A)

OB[知识点] 动生电动势判断与计算。

[分析与解答] 以c点为原点,建立如图所示坐标,在导体棒上任选一线元dx,其上的动生电动势为 dvBdlxBdx 整个导体棒上的电动势为 acO'xdxb

1L32L3Bxdx1BL20 6 图9-5

即感应电动势的方向为b→a,则a点电动势高于b点,即UaUb。

6.如图9-6(a)所示,在圆柱形区域内分布着均匀磁场B,且

dB为正的恒量,现将ao、ob、ab、dt

ab和cd 5段导线置于图示位置,则下列说法正确的是:

A.由于a、b两点电势确定,所以ab和aob上感生电动势相同,即ab B.cd导线处于B0的空间,故cd=0;

C.在该区域内,变化磁场激发的涡旋电场强度

aob;

BEkr,故

aobaab,abao0; bD.oa、ob均垂直于Ek,故oaob0。 (D)

[知识点] 感生电动势的概念、分析。

[分析与解答] 在如图9-6(b)所示的变化磁场中,在空间产生感生电场,感生电场线的分布是以o为圆心的一系列同心圆,各点的感生电场Ek方向沿着圆周的切线方向。

由于oa和ob与感生电场的方向正交,由电动势定义c

图9-6(a)

d

EkBoEkdlacbd 知,a00,ob0,则aob0;而ab导线处在感生电场中,且感生电场沿ab的分量不为零,则ab0,且方向由a指向b,即ab0。

cd导线虽处在磁场以外,但该空间仍有感生电场分布,且感生电场沿cd的分量不为零,则cd0。

经计算知,圆柱形区域内涡旋电场强度为Ek且有abS1 图9-6(b)

rdB,即Ekr。 2drdBdB、a,式中S1为三角形的面积,S2为扇形的面积,则aSˆab,但ˆ2ˆbˆbdtdtao0。

7.在下列关于自感和位移电流的表述中,正确的是: A.自感系数的定义式为Lm,所以,I越大,L越大; I B.自感是对线圈而言的,对直导线回路不存在自感问题; C.位移电流的本质是变化的电场;

D.位移电流只在平板电容器中存在,但它能激发磁场;

E.位移电流是电荷的定向运动产生的,也能激发磁场。 (C)

[知识点] 自感系数L和位移电流的概念。

[分析与解答] 线圈的自感系数L是反映线圈电磁惯性大小的物理量,它只和线圈本身的形状、大小、匝数、磁介质分布有关,而与线圈是否载流无关。当然线圈中有电流时,m与I成正比,故L与I无关。

从自感的定义式Lm可知,m是穿过一个回路的磁通量,这个“回路”即可以指线圈回I路,也可以指一般的载流回路。因而,并不是线圈才有自感,非线圈回路也有自感,只是与前者相比自感小得多。

位移电流实质上是指“变化的电场”,因而,它可存在于真空、介质、导体中。而且变化的电场(位移电流)是能激发磁场的。

8.激发涡旋电场的场源是:

A.静止电荷; B.运动电荷;

C.变化的磁场; D.电流。 (C) [知识点] 感生电场的概念。

9.已知平板电容器的电容为C,两板间的电势差U随时间变化,则其间的位移电流为: A.

dD; B.0; dtdU。 (D) dtq S C.CU; D.C[知识点] 位移电流Id的计算。

[分析与解答] 设平行板电容器的极板面积为S,其间的电位移为 D当极板间的电势差随时间变化时,极板上的带电量也同样随时间变化,则其间的位移电流为

Id由CdDddDdq DdSSdtdtSdtdtqdqdU关系可知 CUdtdtdU dt则 IdC

10.平板电容器在充电过程中,忽略边缘效应,作如图9-7所示的环路L1和L2,则沿两个环路的磁场强度H的环流必有:

A.HdlL1Hdl;

L2 B.HdlL1Hdl;

L2L1L2 C.HdlL1Hdl;

L2 D.Hdl0,Hdl0。 (C)

L1L2 图9-7

[知识点] 全电流安培环路定律。

[分析与解答] 根据全电流连续,平行板电容间的全部位移电流等于穿过L2的传导电流,因此,L1回路中的位移电流小于L2中的传导电流,则由H的环路定理知

HdlHdl

L1L2且

HdlIL2传

二、填空题

1.法拉第电磁感应定律的表达式为

idm ,此式表明:感应电动势i的大小等于dt磁通量随时间的变化率 ;负号表示i的方向(指向)是 阻碍磁通量的变化 的方向。

已知垂直通过一平面线圈的磁通量随时间变化的规律为m=6t线圈中的感应电动势的大小为i 12t[知识点] 法拉第电磁感应定律的意义。

2[分析与解答] m6t7t1

27t1(SI),则t时刻

7V,它表明i是随时间t变化的。

感应电动势的大小

idm12t7V dt

2. 如图9-8(a)所示,一条形磁铁插入线圈,根据楞次定律可知,线圈中感应电流i的流向是由c点指向 a 点。 [知识点] 楞次定理的应用。

[分析与解答] 由图9-8(b)知,原来磁场方向向上并在增加,由楞次定理知,磁通量增加了,则感应电流的磁场要阻碍向上的磁通量的增加,会“增则反”,即其方向会与变化后的磁场相反,则由右手螺旋法则知,线圈内感应电流的流向为顺时针方向即(即c→a)。

3.产生动生电动势的非静电力是 洛伦兹力 ,其相应的非静电性电场强度EkNSvNSvac 图9-8(a)

b

 vB ;动生电动势的方向(指向)就是 vB 的方向。

ac 图9-8(b)

b

产生感生电动势的非静电力是 感生电场力 。 [知识点] 动生电动势和感生电动势的概念。

4.如图9-9(a)所示,长为L的导体杆ab与通有电流I的长直载流导线共面,ab杆可绕通过a点,垂直于纸面的轴以角速度 转动,当ab杆转到与直导线垂直的位置时,杆中的动生电动势为

Iab0IDL(LDln),a端的电势较b端的电势要 低 。 2DaDLb[知识点] 导体杆在非均匀场中转动时的动计算。

[分析与解答] 建立如图9-9(b)所示坐标,导体杆微元dr中的动生电动势为

divBdrrDBdr 直导线在dr处产生的磁场为

图9-9(a)

Iadrvbr

μI B0 方向向里

2r导体杆上的总电动势为

ODL 图9-9(b)

idiDLDμIμ0IDLrDdr0LDln

2D2r其方向由a指向b,则UaUb。

5.如图9-10(a)所示,直角三角形金属框架abc置于均匀磁场B中,磁

Bbcl30a 图9-10(a)

场方向与ab边平行,已知acl,bac30,当框架以角速度 绕ab边作匀角速度转动时,则ac边中的动生电动势ac

1Bl2 ,整个回路abca中的动生电动势为abca 0 。 8[知识点] 导体框在均匀场中转动时的动计算。

[分析与解答] 在ac上任选一线元dl,其vB方向如图,则dl上的动生电动势为 dacvBdlvBsin30dl而微元dl处的速度为 vlsin30 则ac边上总的动生电动势为 ac1vBdl 2dac11lBsin30dlBl2,方向由a指向c 028lBbdll由于ba边不切割磁场线运动,则 ba0 而cb边上总的动生电动势为 cbdcbcvBdl2l20l20vBdlBldl

l2030a 图9-10(b)

111BlBl2 方向由b→c 228则 abcaabbcca0

abl1,6.如图9-11所示,矩形导体线框abcd处于磁感强度BB0sint的均匀、变化磁场中,st 。 bcl2,则线框内感应电动势的大小为 l1l2B0co[知识点] 感生电动势感的计算。 [分析与解答] 线框内感生电动势的大小为 addmBdS dttl1bBl2

图9-11

c

B0costSB0l1l2cost

7. 在半径为R的圆柱形区域内存在一匀强磁场B,且以恒定变化率dB/dt减小,则区域内任一点( r < R )的感应电场强度Ek的大小为Ek的圆周在该点的切线方向 。 [知识点] 感生电场Ek的大小和方向。

EkrdB,其方向为 以中心为圆心、以r为半径2dtBOr RL 图9-12

[分析与解答] 由于B以及

dB的分布具有轴对称性,则感生电场的电场线为一系列的同心圆,如图dt9-12所示。作半径为rrR的环路L,选逆时针方向为绕行方向,则Ek的环流为

LEkdl2rEkSdBdB dSr2dtdt 则 EkrdB 2dt由于B在减小,则Ek的方向与图示方向相反。

8.半径为R的无限长圆柱形导体上均匀流有电流I,该导体材料的相对磁导率为r,则在与导体轴线相距r(r[分析与解答] 以r为半径,取圆形环路,则由有介质的安培环路定律有

0rI2r2 ; 而在导体轴线上一点的磁场能248RHdl2rHIr 22RIr2 2R H则磁感强度 Bμ0μrHμ0μrIr

2R2μ0μrI2r21则磁场能量密度 wmBH

282R4导体轴线上一点,r0 则 wm,o0

9.麦克斯韦关于电磁场理论提出的两个基本观点,即两个基本假设是: 变化的电场(位移电流)能激发磁场 和 变化的磁场能激发感生电场 。在麦克斯韦方程组中,表示变化电场与磁场关系的方程是

HdlδdSLSDdS 。 St[知识点] 麦克斯韦电磁场的基本理论。

10.如图9-13(a)所示,质量极小的薄金属片与长直导线共面,由于薄金属片质量极小,可借用超声悬浮技术,使金属片在微重力状态下悬浮着(详见工科物理教程下册第192页)。当长直导线中突然通过大电流I时,由于电磁感应,

I薄金属片

图9-13(a)

薄金属片中将产生涡电流,则它将 向右运动 。(填向上、向下、向左、向右或转动) [知识点] 涡电流的形成及方向判断。

[分析与解答] 当长直导线中电流增大时,其在薄金属片空间的磁通量增加,则会 在薄金属片中产生逆时针流动的感应涡旋电流,如图9-13(b)所示;这时,薄金属片内部因为带有涡流而成为载流导体,在长直导线的磁场中会受到磁力的作用;又由于长直导线的磁场与场点距离成反比,则对共面的圆电流而言,其靠近直导线的电流元受力大,且指向右边,远离直导线的电流元受力小,且指向左边,而圆电流受上、下磁力大小相等、方向相反,则圆电流将受到指向右边的合力的作

用,因此,薄金属片将在此力作用下将向右运动。 图9-13(b)

三、简答题

试比较位移电流与传导电流的异同点。

[答] 共同之处:位移电流与传导电流一样都会产生磁场。

不同之处:(1)传导电流源于自由电荷的定向运动,而位移电流不涉及电荷运动,本质上就是变化的电场;

(2)传导电流通过导体时要产生焦耳热,而位移电流则无热效应;

(3)传导电流只能在导体中存在,而位移电流可以在导体、电介质甚至真空中存在。

四、计算与证明题

1.如图9-14(a)所示,一边长为的正方形导体线框,内阻为R,以恒定速度v通过宽度为3a的均匀磁场区,B的方向垂直纸面向里。以正方形线框的前端刚好进入磁场区为计时起点,试在图9-14(b)所给的坐标中,画出正方形导体线框在运动过程中,其产生的感应电流Ii与时间t的关系曲线(要求标明有关坐标值,并取顺时针方向时电流Ii为正)。

[分析与解答] 如图9-14(c)所示,在正方形导体线框正在进入均匀磁场的过程中,t时刻线框进入磁场的面积为Sax,取顺时针方向为绕行正向,则线框的磁通量为

mBSBSBax

3aIi/Aaav0at/svt=0

图9-14(a)

图9-14(b)

x 图9-14(c)

av

avBavR0Ii/Aav2av3av

图9-14(f)

图9-14(d)

x 图9-14(e)

BavR4avt/s

则当0xa时,线框内的感应电动势为 dΦmdxBaBav dtdt即时间为0ta/v时,线框内的感应电流为 I1RBav,方向为逆时针方向 R如图9-14(d)所示,在正方形导体线框已经全部进入均匀磁场的过程中,线框的磁通量不变,即时间为a/vt3a/v时,则线框内无感应电流。

如图9-14(e)所示,在正方形导体线框正在离开均匀磁场的过程中,t时刻线框留在磁场的面积为Sa(ax),取顺时针方向为绕行正向,则线框的磁通量为

mBSBSBa(ax)

则当0xa时,线框内的感应电动势为 dΦmdxBaBav dtdt即时间为3a/vt4a/v时,线框内的感应电流为 I1RBav,方向为顺时针方向 R则在整个过程中,感应电流Ii与时间t的关系曲线如图9-14(f)所示。

2.如图9-15所示,均匀磁场B中有一矩形导体框架,B与框架平面的正法线方向n之间的夹角3,框架内的ab

da段长为l,可沿框架以恒定速度v向右匀速运动。已知Bkt,k为正的常量,当tlcv0时,x0。试求:当直导线ab运动到

xb与cd边相距x时,框架回路中的感应电势i。 [分析与解答] 由题意知S的绕行方向为逆时针,则

图9-15

mBScos,而Sxl

idmdSdBBcosScos dtdtdtdxktcosllxcoskklvtcosklxcos

dt2klxcosklx0 (顺时针)

3.由两个无限长同轴薄圆筒导体组成的电缆,半径分别为R1和R2(R2率为的磁介质,且流过内、外圆筒的电流I大小相等,流向相反。

(1)试求长为l的一段电缆内的磁能; (2)试证明长为l的一段电缆的自感系数为LR1),其间充满磁导

l2πlnR2。 R1I[分析与解答] (1)由安培环路定律,当R1rR2时,H,B

2r2r取长为l,半径为r,厚度为dr的体积元,其体积dV2rldr,则微元的磁能为

I1I2I2ldr dWmwmdVBHdV222rldr24r8rI2lR2drI2lR2ln长为l的一段电缆内的磁能为 WmdWmR14r4R1(2)取长为l,厚为dr的面积元,其面积dS

ldr,则微元的磁通量为

Ildr 2r

dmBdS长为l的截面的磁通量为

IlR2drIlR2mdmlnR12rr2rR1LmlR2 lnI2R1则长为l的一段电缆的自感系数为

4.一无限长直导线通有电流II0e(式中I0、为恒量),与一矩形线框共面,并相互绝缘,线框的尺寸及位置如图9-15所示。试求:

(1)直导线与线框间的互感系数; (2)线框中的互感电动势。

tI=I0eata/23a/2 图9-16

[分析与解答]

(1)取dx,其到直导线距离为x,面积元dSadx,绕行方向为顺时针,则

0Ia0aI0etdmBdSdxdx

2x2x左侧线框磁通量为负值,右侧线框磁通量为正值,则有

3a21a2mdmdm右左0aI0etdx

2x0I0e2t3a0I0et2lnln3 12a2互感系数为

Mm0aln3 I2t(2)由II0e,m变化,互感电动势为

MMdI0a ln3I0et dt20aI0et ln3 (顺时针)

2

5.试计算下列各量:

(1)当前实验室达到的水平,可获得B2.0T的强磁场和E10应的能量密度有多大?并比较之。

6Vm的强电场。那么相

1B2122631.610Jm[解答] wm 20241071we0E24.4Jm3

2表明wm

(2)在加速器中,利用超导线圈可具有持续大电流的特性来制成超导储存环。若环中的

we,磁场比电场更利于储存能量。

B1.0T,要储存1.0kWh的能量,储存环的体积为多少?如果利用普通线圈中I500A电流

来储存同样的能量,该线圈的L应多大? [解答] 由WmwmV, 1.0kWh3.6106Ws

WmWm3.61062410739.0m故 V wm1B21202Wm23.6106线圈的自感系数为 L29H 22I500通常一个直径为1cm,长为10cm,N

(3)如导线中存在着交变电场E71000匝的螺线管,其L约为103H。

E0sint,因而有交变的传导电流和位移电流。导线电导

11率的数量级为10,真空电容率0的数量级为10移电流密度D比值的数量级为多少? [解答]

,的数量级为10。则传导电流密度与位

8EE0sint

DdDdE00E0cost dtdt取极大值,所以有

D0101110810 10710

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