關(guān)于變化的磁場產(chǎn)生感生電場的辨析

黃 蕊

(華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北 保定 071002)

趙繼廣

(中國郵政集團公司保定市分公司 河北 保定 071002)

關(guān)于變化的磁場產(chǎn)生感生電場的辨析

黃 蕊

(華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北 保定 071002)

趙繼廣

(中國郵政集團公司保定市分公司 河北 保定 071002)

根據(jù)實際問題，判斷分析放在變化的磁場中的閉合回路是否產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而加深對感生電場的理解及運用．

變化的磁場 感應(yīng)電流 感生電場

變化的磁場能激發(fā)感生電場，是電磁學(xué)的重要研究內(nèi)容，也被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中的物理知識，如冶煉金屬、電磁爐等[1]．那么我們對感生電場的了解是否透徹，應(yīng)用起來又是否熟練呢？下面我們分析一個問題．

1 問題提出

圖1所示的電路中，回路A，B，C均是長矩形導(dǎo)體回路(并且長邊間的距離較遠),其中導(dǎo)體回路A和B在同一平面內(nèi)，完全相同，A和B兩回路電流等大反向，回路C與回路A和B所在平面相垂直，且其長邊de在回路A和B組成的平面內(nèi)，到的距離回路A和B相等，A和B回路的開關(guān)S1和S2均先斷開，問：同時閉合開關(guān)S1和S2的瞬間，回路C中的檢流計G指針會不會偏轉(zhuǎn)？

圖1 提出問題的電路

2 問題解答

(1)有人認為回路C中的檢流計G指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

原因：電流I1和I2在回路C長邊de處產(chǎn)生的磁場B均是垂直于A和B回路向上，如圖2所示，有磁場，且磁場變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，則回路C有感應(yīng)電流，則回路C中檢流計G指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖2 解答問題的電路

(2)也有人認為回路C中的檢流計G指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

原因：回路C所處位置的磁場B的方向與線圈C平行，如圖2所示，也就是沒有磁感線穿過線圈，穿過線圈的磁通量始終為零，沒有磁通量變化，所以回路C中檢流計G指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

以上兩個結(jié)論哪個對？解釋是不是合理？

3 實驗現(xiàn)象

實際實驗結(jié)果是怎樣的呢?下面按照原理圖連接電路進行驗證，閉合開關(guān)的瞬間，發(fā)現(xiàn)檢流計G指針并沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為什么會出現(xiàn)如此現(xiàn)象？第2種解釋又是否合理？

4 理論解釋

圖3 對現(xiàn)象做出解釋的電路

由此可見，第1種說法給出的結(jié)論及解釋都是錯誤的．檢流計指針不偏轉(zhuǎn)，是由于總感生電場為零，回路C中沒有感生電動勢，從而沒有感生電流．

那么，法拉第電磁感應(yīng)定律與和感生電場理論對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的解釋結(jié)論是否統(tǒng)一呢？下面應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律再次對上述問題進行分析．

因為回路C與A，B對稱放置，回路A，B中兩電流等大反向，回路A，B中的電流在回路C所在平面任意一點激發(fā)的磁感強度大小及方向，如圖4所示，(圖4為圖1中A，B兩電路距離最近兩條平行導(dǎo)線通電和產(chǎn)生磁場的剖面圖)，根據(jù)對稱性可知，B1和B2的大小相等，方向關(guān)于回路C所在的平面對稱，則B1和B2的合磁感強度B合，方向與回路C所在平面平行(圖4)，即回路C中無磁感線穿過，其磁通量恒為零，不隨時間發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路C中沒有感應(yīng)電動勢，也就沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，回路C中的檢流計G指針不會偏轉(zhuǎn)．所以，第(2)種說法，分析出了磁通量是一直為零，不隨時間發(fā)生變化，因而沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，是正確的．

圖4 圖1中的剖面圖

以上的理論解釋是否合理呢？下面我們改變A回路中電流的方向，其他條件保持不變，再進行實驗驗證．

5 實驗拓展

如圖5所示，A，B兩回路距離最近的兩條平行導(dǎo)線中電流等大同向，再次進行試驗，在同時閉合兩開關(guān)S1和S2的瞬間，發(fā)現(xiàn)檢流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖5 兩電流等大同向，產(chǎn)生磁場的情況

圖6 兩電流等大同向，感應(yīng)電場情況

從磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的角度來分析，回路A和B中的電流在回路C所在平面任意一點激發(fā)的磁感應(yīng)強度B1和B2大小及方向，如圖7所示，根據(jù)對稱性，回路A，B中的電流在該點激發(fā)的磁場的合磁場B合方向向右(圖7) ，因此B合穿過回路C的磁通量不為零，若回路A和B中的電流發(fā)生變化，則穿過回路C的磁通量也就隨時間發(fā)生變化，則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路C中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，回路C中的檢流計G指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．

圖7 A和B中的電流在回路C所在平面任一點激發(fā)的磁場

6 辨析及結(jié)論

之所以有上述的錯誤解答，是由于沒有抓到放在變化磁場中的閉合線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)．閉合導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)是通過該回路的磁通量發(fā)生了變化，通過導(dǎo)線回路中的磁通量變化有多種形式，可以是磁場不變，導(dǎo)體回路運動；可以是導(dǎo)體回路靜止，磁場變化；或者是磁場變化，導(dǎo)體回路也運動[1]．

上述問題中閉合線圈保持靜止不動，引起磁通量發(fā)生變化的因素是磁場的變化，根據(jù)麥克斯韋理論，變化的磁場產(chǎn)生感生電場，也就是說在閉合線圈恒定不變的情況下，產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)，是變化的磁場產(chǎn)生感生電場，感生電場力提供非靜電力，引起感應(yīng)電動勢，從而在閉合導(dǎo)體回路中形成感應(yīng)電流．

對于圖1的情況來說，回路C中長邊de處有磁場，有磁場的變化，但是由于變化的磁場而產(chǎn)生的感生電場方向是大小相等、方向相反的，相互抵消，所以總感生電場為零．此情況下，沒有感生電場，就沒有感生電動勢，也就沒有感應(yīng)電流．

對于圖5，雖然回路C中長邊de處的磁場相互抵消，但是由于磁場變化產(chǎn)生的感生電場并不是相互抵消，所以總感生電場不為零．此情況下，有感生電場，則有感生電動勢，線圈回路C中也就有感應(yīng)電流．事實上，回路C中只有長邊de所在平面處的磁場相互抵消，回路C的其他位置的磁場只抵消了磁場在豎直方向的分量，合磁場的方向沿水平方向向右(圖7)，穿過閉合回路C中的磁通量不為零，磁場的變化引起閉合C處磁通量的變化，所以閉合回路中有感應(yīng)電流．

此實驗充分地解釋了放置在變化的磁場中的恒定閉合線圈產(chǎn)生感生電流的本質(zhì)，是由于變化的磁場產(chǎn)生感生電場，感生電場的存在才使得閉合回路中有感應(yīng)電流．當(dāng)然此問題也可以用法拉第電磁感應(yīng)定律做出解釋，也就說，變化的磁場產(chǎn)生感生電場的理論與法拉第電磁感應(yīng)定律是完美統(tǒng)一的．

1 上海交通大學(xué)物理教研室.大學(xué)物理學(xué)(下冊).上海.上海交通大學(xué)出版社.2011.111

2 蘇景順.長直導(dǎo)線通以變化電流產(chǎn)生的渦旋電場.大學(xué)物理.1995(1)：45～47

TheJudgementandAnalysisaboutChangingMagneticFieldProducesInducedElectricField

HuangRui

(NorthChinaelectricpoweruniversityscienceandtechnologycollege，Baoidng,Hebei071000)

ZhaoJiguang

(ChianPostGroupCorporationBaodingBranch，Baoidng,Hebei071000)

According to the practical problems, judged and analyzed whether the closed loop in the changing magnetic field produces induced current or not, thereby deepened the understanding and application of the induced electric field.

changing magnetic；induced current；induced electric field

2016-09-12)