第三节 电磁感应现象
[学习目标]
核心素养 学习目标
物理观念 知道电磁感应现象及产生感应电流的条件,能解释电磁感应的相关现象
科学思维 理解产生感应电流的条件,能处理相关的问题
科学探究 通过实验探究产生感应电流的条件,学会归纳总结法,能与他人交流合作完成实验
科学态度与责任 体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响,体验人类对自然界的认识是不断发展的,培养学科学、用科学的积极态度
知识点一 电磁感应现象的发现
1.奥斯特梦圆“电生磁”:1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。
2.法拉第心系“磁生电”:
(1)1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象。产生的电流叫作感应电流。
(2)法拉第的概括。法拉第把引起感应电流的原因概括为五类:
①变化的电流;
②变化的磁场;
③运动的恒定电流;
④运动的磁铁;
⑤在磁场中运动的导体。
(3)电磁感应与感应电流。
法拉第把他发现的磁生电的现象叫作电磁感应,产生的电流叫作感应电流。
(4)发现电磁感应现象的意义。
①使人们对电与磁内在联系的认识更加完善,宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。
②使人们找到了磁生电的条件,开辟了人类的电气化时代。
知识点二 产生感应电流的条件
只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,闭合电路中就有感应电流。
电磁感应只指“磁生电”,不指“电生磁”。
思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)只要闭合电路内有磁通量,闭合电路中就有感应电流产生。 (×)
(2)闭合电路的部分导体在磁场中运动就会产生感应电流。 (×)
知识点三 电磁感应的应用
1.汽车防抱死制动系统(ABS)
(1)组成:ABS由轮速传感器、电子控制模块和电磁阀三个部分组成,其中轮速传感器是利用电磁感应现象来测量车轮的转速的。
(2)原理:
①如图所示,铁质齿轮P与车轮同步转动,它的右侧有一个绕着线圈的磁铁,当每个轮齿在接近和离开磁铁时,穿过线圈的磁通量会发生变化,线圈中出现感应电流。
②随着各个轮齿的运动,磁通量的变化会使线圈中产生相应的感应电流。
③电流由电流检测器D检测,并送到电子控制模块以控制电磁阀,为制动器提供合适的制动力,有效避免了汽车后轮侧滑的现象。
2.无线充电技术
(1)概念:无线充电,又称非接触式感应充电,是利用供电设备直接将电能传送给用电器的技术。
(2)原理:充电器与用电器之间通过电感耦合传送电能。充电器中有发射线圈,给线圈一定频率的交变电流,通过电磁感应,用电器的接收线圈中产生的电流给电池充电。
(3)优点:无线充电具有安全、耐用、方便等优点。
考点 科学探究:产生感应电流的条件
试探究:(1)只要穿过电路的磁通量发生变化,电路中就一定有感应电流吗?
(2)某一时刻穿过闭合回路的磁通量为零时,回路一定无感应电流对吗?
提示:(1)不是,还必须是组成闭合电路。
(2)不一定,如果穿过闭合回路的磁通量正在变化,只是某一时刻磁通量为零,则回路中会产生感应电流。
1.实验探究感应电流产生的条件
(1)闭合电路的部分导体切割磁感线
在初中学过,当闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时,电路中会产生感应电流,如图所示。
导体棒左右平动、前后平动、上下平动,观察电流计的指针,把观察到的现象记录在表1中。
表1
导体棒的运动 表针的摆动方向 导体棒的运动 表针的摆动方向
向右平动 向左 向后平动 不摆动
向左平动 向右 向上平动 不摆动
向前平动 不摆动 向下平动 不摆动
结论:只有左右平动时,导体棒切割磁感线,才有感应电流产生;前后平动、上下平动,导体棒都不切割磁感线,没有感应电流产生。
(2)向线圈中插入磁铁,把磁铁从线圈中抽出
如图所示,把磁铁的某一个磁极向线圈中插入,或从线圈中抽出,或静止地放在线圈中。观察电流计的指针,把观察到的现象记录在表2中。
表2
磁铁的运动 表针的摆动方向 磁铁的运动 表针的摆动方向
N极插入线圈 向右 S极插入线圈 向左
N极停在线圈中 不摆动 S极停在线圈中 不摆动
N极从线圈中抽出 向左 S极从线圈中抽出 向右
结论:只有磁铁相对线圈运动时,才有感应电流产生;磁铁相对线圈静止时,没有感应电流产生。
(3)模拟法拉第的实验
如图所示,线圈A通过滑动变阻器和开关连接到电源上,线圈B的两端与电流计连接,把线圈A装在线圈B的里面。观察以下四项操作中线圈B中是否有电流产生。把观察到的现象记录在表3中。
表3
操作 现象
开关闭合瞬间 有电流产生
开关断开瞬间 有电流产生
开关闭合时,滑动变阻器的滑片不动 无电流产生
开关闭合时,迅速移动滑动变阻器的滑片 有电流产生
结论:只有当线圈A中电流变化时,线圈B中才有感应电流产生。
2.结论
不论用什么方法,不论何种原因,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有感应电流产生。
3.产生感应电流的条件
(1)闭合电路;(2)磁通量发生变化。
【典例】 线圈在长直导线电流的磁场中做如图所示的运动:A向右平动,B向下平动,C绕轴转动(ad边向里),D垂直于纸面向纸外做平动,E向上平动(E线圈有个缺口),判断线圈中有没有感应电流。
A B C D E
[解析] 在直导线电流磁场中的五个线圈,原来磁通量都是垂直纸面向里的。对直线电流来说,离电流越远,磁场就越弱。
A向右平动,穿过线圈的磁通量没有变化,故线圈中没有感应电流。
B向下平动,穿过线圈的磁通量减少,必产生感应电流。
C绕轴转动,穿过线圈的磁通量变化(开始时减少),必产生感应电流。
D离纸面越远,线圈中磁通量越少,线圈中有感应电流。
E向上平动,穿过线圈的磁通量增加,但由于线圈没有闭合,因此无感应电流。
[答案] A、E中无感应电流;B、C、D中有感应电流
判断是否产生感应电流的关键是明确电路是否闭合,分清磁感线的疏密分布,从而判断磁通量是否变化,而不是看磁通量的有无。
[跟进训练]
1.下图中能在回路中产生感应电流的是( )
A B
C D
B [A选项中,电路没有闭合,无感应电流;B选项中,面积增大,通过闭合电路的磁通量增大,有感应电流;C选项中,穿过线圈的磁感线相互抵消,Φ恒为零,无感应电流;D选项中,磁通量不发生变化,无感应电流,B符合题意。]
2.(多选)如图所示,在匀强磁场中有两条平行的金属导轨,磁场方向与导轨平面垂直。导轨上有两条可沿导轨自由移动的金属棒ab、cd,与导轨接触良好。这两条金属棒ab、cd的运动速度分别是v1、v2,且井字形回路中有感应电流产生,则可能( )
A.v1>v2 B.v1<v2
C.v1=v2 D.无法确定
AB [只要金属棒ab、cd的运动速度不相等,穿过井字形回路的磁通量就发生变化,闭合回路中就会产生感应电流。故选项A、B正确。]
1.下列现象中属于电磁感应现象的是( )
A.磁场对电流产生力的作用
B.变化的磁场使闭合电路中产生电流
C.插在通电螺线管中的软铁棒被磁化
D.电流周围产生磁场
B [磁场对电流产生力的作用属于通电导线在磁场中的受力情况;插在通电螺线管中的软铁棒被磁化属于电流的磁效应;电流周围产生磁场属于电流的磁效应;变化的磁场使闭合电路中产生电流属于电磁感应现象,故正确答案为B。]
2.闭合电路的一部分导线ab处于匀强磁场中,如图所示,各情况下导线都在纸面内运动,那么下列判断中正确的是( )
甲 乙
丙 丁
A.都会产生感应电流
B.都不会产生感应电流
C.甲、丙会产生感应电流,乙、丁不会产生感应电流
D.甲、乙不会产生感应电流,丙、丁会产生感应电流
C [题图中甲、丙两图中导线ab都在垂直切割磁感线,又因电路闭合,故甲、丙会产生感应电流;乙、丁两图中导体不切割磁感线,故乙、丁不会产生感应电流,故C项正确。]
3.如图所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框,在下列四种情况下,线框中会产生感应电流的是( )
A.线框平面始终与磁感线平行,线框在磁场中左右运动
B.线框平面始终与磁感线平行,线框在磁场中上下运动
C.线框绕位于线框平面内且与磁感线垂直的轴线AB转动
D.线框绕位于线框平面内且与磁感线平行的轴线CD转动
C [四种情况中初始位置线框均与磁感线平行,磁通量为零,线圈按A、B、D三种情况移动后,线框仍与磁感线平行,磁通量保持为零不变,线框中不产生感应电流,C中线圈转动后,穿过线框的磁通量不断发生变化,所以会产生感应电流,C项正确。]
4.(新情境题,以“金属薄圆盘”为背景,考查产生感应电流的条件)如图所示,一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中。
问题:下列情况能不能使圆盘中产生感应电流?
(a) (b)
(1)如图(a)圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动;
(2)如图(b)圆盘以某一水平直径为轴匀速转动。
[解析] (1)当圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动,无论转到什么位置,圆盘中的磁通量不发生变化,不能产生感应电流。
(2)当圆盘以某一水平直径为轴匀速转动时,穿过圆盘的磁感线条数不断变化,即圆盘中的磁通量发生变化,圆盘中将产生感应电流。
[答案] 见解析
回归本节知识,自我完成以下问题:
1.什么是电磁感应现象及产生感应电流的条件?
提示:因闭合回路的磁通量变化而产生电流的现象。
条件:(1)闭合电路。(2)磁通量发生变化。
2.试写出电磁感应的几个典型应用?
提示:(1)计算机磁盘与磁记录。
(2)无线充电。
(3)动圈式话筒。
法拉第与电气化时代
法拉第出生于英国的一个铁匠家庭,曾经在一家书店当过学徒。他利用这个条件,读了很多科学书籍,从中获得了丰富的知识。他喜欢做实验,还积极参加科学报告会。1813年,22岁的法拉第毛遂自荐,成了著名化学家戴维的助理实验员。
法拉第生活的时代,正值第一次产业革命完成。蒸汽机的普遍应用催生了资本主义大工业,人类进入了工业文明时期,而电力应用的前景已初见端倪。这是一个需要巨人并产生巨人的时代,法拉第生逢其时。当时的英国走在科学技术和工业发展的前列。法拉第看到,伏打电池昂贵、产生的电流小,而自然界中有不少天然磁石。如果可以由磁产生电流,就能获得廉价的电力。他说:“我因为对当时产生电的方法感到不满意,因此急于发现磁与感应电流的关系,觉得电学在这条路上一定可以充分发展。”
在10年的探索中,法拉第遭遇了多次失败。在他当年的日记中不时出现“未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语,记录着艰苦的探索历程。法拉第在晚年曾感叹: “世人何尝知道,在那些流过科学家头脑的思想和理论中,有多少被他们自己严格的批判和无情的质疑消灭了。就是最有成就的科学家,得以实现的建议、猜想、愿望和初步判断,也不到十分之一。”
法拉第发现电磁感应现象,与他坚信各种自然现象是相互关联的,各种自然力是统一的、可以互相转化的思想相关。他还认为电磁相互作用是通过介质来传递的,并把这种介质叫作“场”,他还以惊人的想象力创造性地用“力线”(即现代物理学中的“磁感线”)形象地描述“场”的物理图景。
法拉第鄙视金钱、地位和权势。他谦虚、朴实、安于清贫,谢绝了皇家学会会长、皇家研究院院长、伦敦大学教授等职位和头衔,也不肯接受贵族爵位。
1867年8月25日,法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。法拉第把一生献给了科学事业。生活在电气化时代的我们,应该永远缅怀法拉第。
(1)电场线、磁感线是由哪位科学家提出的?
(2)电磁感应现象指什么?
提示:(1)法拉第。
(2)磁生电。