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物 理
第5章 電場、磁場與電磁感應
5.1 電荷與電場
5.4 磁場對電流的作用
5.2 電勢能、電勢與電勢差
5.3 磁場
5.5 電磁感應
5.6 自感與互感
5.4 磁場對電流的作用
5.4.1 左手定則
演示實驗5-3 磁場對通電直導線的作用
在如圖所示的實驗中，當導線中有電流通過時，可以看到導線發生移動．如果改變通電導線的電流方向，則導體棒的運動方向也隨著改變，即其所受安培力的方向也發生改變；如果調換磁鐵兩極的位置，即改變磁場的方向，導線運動的方向也隨之改變．
通過大量的實驗，人們總結出通電直導線所受安培力的方向和磁場方向以及電流方向之間的關系，可以用左手定則來判定，左手平展，使大拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內，把左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，并且使伸開的四指指向電流方向，那么，大拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向．
由此可見，通電導線在磁場中的受力方向跟磁場方向、導線中的電流方向都有關．
通過大量的實驗，人們發現，當長度為l的直導線垂直于磁場方向放入磁感強度為 B 的磁場時，對導線通電，電流為 I，則通電直導線所受到的安培力的大小等于磁感強度 B、電流 I 和導線長度 l 三者的乘積．這個規律最初是由安培通過實驗歸納出來的，所以人們就把它叫做安培定律．用公式表示為
5.4.2 安培定律
5.5 電磁感應
5.5.1 電磁感應現象
演示實驗5-4 電磁感應現象
如圖所示，把導體AB和電流表連接起來形成一個閉合電路，當導體AB在磁場中向左或向右做切割磁感線的運動時，發現電流表的指針發生了偏轉，表明電路中產生了電流．而如果導體AB在磁場中向上或向下運動時，電流表的指針不會發生偏轉．
如圖所示，把線圈 A 和電流表連接起來，組成閉合導體回路．當條形磁鐵插入線圈或從線圈拔出時，會發現電流表的指針發生偏轉，表明電路中產生了電流．如果保持磁鐵在線圈中不動，則電流表的指針不會發生偏轉，電路中就沒有產生感應電流．
如圖所示，把線圈B套在線圈A的外面，線圈B的兩端接在電流表上．合上開關給線圈A通電的瞬間，電流表的指針發生偏轉，線圈B中有了電流．當線圈A中的電流達到穩定時，線圈B中的電流消失．斷開開關使線圈A斷電時，線圈B中也有電流產生．如果用變阻器來改變電路中的電阻，使線圈A中的電流發生變化，線圈B中也有電流產生．
由磁場產生電流的這種現象叫做電磁感應現象．在電磁感應現象中形成的電流叫做感應電流． 通過以上實驗可以看出，通過閉合電路的一部分導體做切割磁感線的運動或是閉合電路中的磁場發生變化，都能利用磁場產生電流．也就是說，只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有電流產生．
根據實驗我們可以總結出：不論用什么方法，只要通過閉合電路導體回路的磁通量發生變化，回路中就有感應電流產生．
5.5.2 右手定則
我們可以用右手定則來判斷感應電流的方向：伸開右手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都處于同一個平面內．把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，拇指指向導體運動的方向，其余四指所指的方向就是感應電流的方向，如圖所示．
1．感應電動勢
在電磁感應現象中，閉合電路中有感應電流產生，那么，這個電路中應該也存在電動勢．我們把在電磁感應現象中產生的電動勢叫做感應電動勢．
2．法拉第電磁感應定律
英國物理學家法拉第通過精確地實驗得出結論：導體回路中感應電動勢的大小，跟通過這一電路的磁通量的變化率成正比．這就是法拉第電磁感應定律．
5.5.3 法拉第電磁感應定律
設在時間 內，穿過某單匝線圈的磁通量的變化量為 ，則在單匝線圈中產生的感應電動勢 E 為
式中，E， ， 的單位分別為 V，Wb，s．
如果是多匝線圈，線圈有 n 匝，整個線圈的感應電動勢就是單匝線圈的 n 倍，即
【例題5】 一個面積為20 cm2，匝數為500匝的線圈，放入 B＝0.02 T 的勻強磁場中．在1 s 內把線圈從平行于磁感線方向轉90°變為與磁感線方向垂直，求感應電動勢的平均值．
解：當線圈平面垂直于磁感線方向時，穿過線圈的磁通量
當線圈平面平行于磁感線的方向時，穿過線圈的磁通量等于0，因此
由法拉第電磁感應定律，得
分析：根據磁場的磁感應強度和線圈的面積，可以求出穿過線圈的磁通量，根據磁通量的變化值就可以求出電動勢的平均值．在計算時注意換算為國際制單位．
5.6 自感與互感
1．自感現象
如圖所示連接電路．接通電路時可以發現，跟滑動變阻器串聯的燈泡 L2立刻正常發光，而跟線圈串聯的燈泡 L1卻是逐漸變亮的．這時因為，在接通電路的瞬間，穿過線圈的電流增加，造成穿過線圈的磁通量也增大，因而線圈中產生感應電動勢，這個感應電動勢阻礙了線圈中電流的增大，因此 L1不能立刻亮起來，要逐漸變亮．
5.6.1 自感
如圖所示連接電路．接通電路，燈泡L正常發光．斷開電路，此時可以發現，燈泡并不是立刻熄滅，而是很亮地閃了一下才熄滅．這是由于電路斷開的瞬間，通過線圈的電流減弱，穿過線圈的磁通量減少，因而線圈中產生了感應電動勢，阻礙電流的減小．雖然這時 S 已經斷開，但是線圈依然和燈泡 L 組成了閉合電路，在這個電路中有感應電流通過，使燈泡發光．
這種由于導體本身的電流變化而產生的電磁感應現象，叫做自感現象．在自感現象中產生的感應電動勢，叫做自感電動勢．自感系數的單位是亨利，簡稱亨，寫作 H．
2．日光燈的工作原理
簡單的日光燈電路由燈管、啟輝器和鎮流器等組成，如圖所示．
當接通電源時，電源電壓全部加在輝光管的兩個電極之間，啟輝器內的氬氣發生電離．電離的高溫使倒U型電極受熱趨于伸直，兩電極接觸，形成通路并加熱燈絲，使氧化物發射電子．同時，輝光管兩個電極接通時，電極間電壓為0，啟輝器中的電離現象立即停止，U型金屬片因溫度下降而復原，兩電極離開．
在離開的一瞬間，使鎮流器流過的電流發生突然變化（突降至0），由于鎮流器鐵心線圈的自感作用，產生足夠高的自感電動勢作用于燈管兩端．這個感應電壓連同電源電壓一起加在燈管的兩端，使燈管內的惰性氣體電離而產生弧光放電．隨著管內溫度的逐漸升高，水銀蒸氣游離，碰撞惰性氣體分子放電．當水銀蒸氣弧光放電時，就會輻射出不可見的紫外線，紫外線激發燈管內壁的熒光粉后發出可見光．
1．互感現象
由于一個電路中的電流的變化，在另一個電路中產生感應電動勢的電磁感應現象稱為互感．在互感現象中，兩個電路中并沒有電的聯系，而是通過磁的聯系把電能從一個電路傳送到另一個電路．
2．變壓器的工作原理
變壓器是利用互感原理工作的電磁裝置，主要由鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成，變壓器的一個線圈與電源連接，叫做原線圈或初級線圈，另一個線圈與負載連接，叫做副線圈或次級線圈．兩個線圈都是由絕緣導線繞制而成的，鐵芯是由涂有絕緣漆的硅鋼片等磁性材料疊合而成的．
5.6.2 互感
在理想情況下，可認為穿過這兩個線圈的交變磁通量相等，則這兩個線圈每匝產生的感應電動勢相等，因此，在這種情況下，變壓器原線圈與副線圈的端電壓之比就等于這兩個線圈的匝數比．若理想變壓器原線圈兩端的電壓是 U1，副線圈兩端的電壓是 U2，原線圈的匝數是 n1，副線圈的匝數是 n2，則
當n2＞n1時，U2＞U1，變壓器使電壓升高，這種變壓器叫做升壓變壓器；而當n2＜n1時，U2＜U1，變壓器使電壓降低，這種變壓器叫做降壓變壓器．

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