用楞次定律判斷電磁感應中閉合線圈的運動

◇ 河南 張 潘

在研究電磁感應現(xiàn)象時,常用到楞次定律.楞次定律可表述為：感應電流具有這樣的方向,就是感應電流產(chǎn)生的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.

判斷感應電流的方向時,通常要進行以下四步：1)明確原磁場的方向;2)明確穿過閉合線圈的磁通量是在增加還是在減小;3)根據(jù)楞次定律確定感應電流的磁場方向;4)利用安培定則,判斷感應電流的方向.

當閉合線圈中的磁通量發(fā)生變化時,線圈中就會產(chǎn)生感應電流,這時它就要受到磁場力的作用并在其作用下運動.其運動情況如何,則需要分析線圈在磁場中的受力情況以及是否存在力矩作用,然后才能得出結論.這種分析判斷的方法稱為力學判定法.此方法物理過程明確,但有時不夠簡捷,特別是進一步討論電磁感應引起的機械效果時,就比較麻煩了.

另外,在應用楞次定律時,許多學生不能準確把握“阻礙”二字的確切含義,也容易把原磁場與感應電流磁場混淆,從而出現(xiàn)判斷錯誤.

實質上,楞次定律的“阻礙”二字指的是“反抗著產(chǎn)生感應電流的那個原因”.具體解題時,若從楞次定律的實質出發(fā)來判斷,就可以使分析過程大為簡化,變難為易,且可避免判斷錯誤.我們稱這種判斷方法為楞次定律判定法.舉例說明如下.

圖1

例1如圖1所示,金屬環(huán)可以沿線圈的鐵芯自由運動.當開關S 斷開的瞬間,環(huán)將如何運動?

方法1力學分析

在開關S斷開的瞬間,通過線圈電流減少,它產(chǎn)生的磁場減弱,因而通過環(huán)的磁通量減少,由楞次定律可知環(huán)中感生電流的方向與線圈中的電流方向相同,我們可把原磁場分為兩部分,一部分和環(huán)面垂直向左,一部分和環(huán)面平行,方向由環(huán)心沿半徑向外,由左手定則可知,方向向左的那部分磁場對環(huán)各部分的作用力都是沿半徑指向環(huán)外,即這部分磁場對環(huán)作用力的合力為零,因而對環(huán)的運動不起作用.而和環(huán)面平行的那部分磁場對環(huán)各部分的作用力都向右且平行,即環(huán)受到一個向右的磁場力的作用,因而環(huán)向右運動.

方法2楞次定律

在開關S斷開的瞬間,線圈中的電流減小,它產(chǎn)生的磁場減弱,因而通過環(huán)的磁通量將減少,由楞次定律知感生電流阻礙通過環(huán)的磁通量的減少,那么環(huán)怎樣運動才能阻礙其磁通量的減少呢? 只有靠近線圈,即向右運動.例2如圖2所示,導線做成的閉合線圈用絕緣線懸掛于O點,且線圈與導線AB在同一豎直平面,當直導線中突然通電時,線圈將怎樣運動?

方法1力學分析

先假定AB中的電流方向,依據(jù)楞次定律判定感應電流方向,再用左手定則判定ab、cd兩邊受力情況,然后由運動學規(guī)律確定線圈運動方向.

3.3針對治療難度大的患者進行重點藥學監(jiān)護。根據(jù)所在科室的技術規(guī)范對相關患者進行重點藥學監(jiān)護并設計有效的藥學監(jiān)護方案,加強與主治醫(yī)師以及護理人員的交流及合作,提高對病人用藥情況的監(jiān)測,及時掌握病情變化、藥品療效、不良反應等情況,同時細化對藥物治療效果的評價,以患者的病情發(fā)展實際提出用藥方案的調整建議。對重點藥學監(jiān)護患者,應按規(guī)范書寫藥歷,并按有關規(guī)定妥善保存?；颊卟∏楹棉D或消除重點藥學監(jiān)護因素,轉入常規(guī)藥物治療藥學監(jiān)護后,即可結束重點藥學監(jiān)護。

方法2楞次定律

直導線中無論通以何種方向的電流,均是使穿過線圈abcd的磁通量增加,而線圈只有遠離導線才能阻礙原磁通量的增加,故線圈將向右擺動.顯然此法簡捷得多.

圖2

例3如圖3 所示,MN為兩條水平固定的光滑直導軌,ab、cd為兩根放在導軌上的與導軌接觸良好的直金屬棒.當條形磁鐵從上向下插入時,ab、cd將會如何運動?

方法1力學分析

當磁鐵向下運動時,通過閉合回路的磁通量增加,由楞次定律可知,感生電流方向為cdbac.由于磁場方向不與導軌平面垂直,可將其分解為兩部分,一部分與導軌平面垂直向下,一部分與導軌平面平行向外,由左手定則可知,ab、cd在水平方向部分磁場作用下受到的磁場力方向向下,由于導軌是固定的,其不能向下運動.同時它們在向下部分磁場作用下受到的磁場力方向均向內,故金屬棒ab、cd相向運動.

方法2楞次定律

當磁鐵插向回路時,穿過ab、cd以及N和M構成的閉合回路的磁通量增加,為了阻礙磁通量的增加,此閉合回路所圍成的面積應有縮小的趨勢.所以ab、cd相 向 運 動.

圖3

上述三例說明,用楞次定律判斷電磁感應中閉合線圈的運動情況有兩大優(yōu)點.

1)不必判斷回路中感生電流的方向,也不必分析回路各部分在磁場中的受力情況,只需抓住回路怎樣運動才能阻礙磁通量的變化這一中心就行了,因而大大簡化了分析過程,提高了答題速度.

2)直接從回路的運動效果來判斷,而不是從回路在磁場中的受力情況來判斷,避免了由于分不清感生電流的磁場與原磁場而引起的錯誤,提高了答題的準確性.為說明上述優(yōu)點,請看下面的例子.

例4如圖4 所示,圖中為兩導體環(huán)a和b,環(huán)面與磁場垂直且兩環(huán)均能發(fā)生形變,當磁場增強時( ).

A.a環(huán)收縮,b環(huán)擴張

B.a環(huán)擴張,b環(huán)收縮

C.兩環(huán)都擴張

D.兩環(huán)都收縮

錯選 磁場增強時,通過兩環(huán)的磁通量均增加,由楞次定律知,兩環(huán)均產(chǎn)生逆時針方向的電流,因同方向電流相吸引,故答案應選A.

錯選原因 當磁場增強時,兩環(huán)均產(chǎn)生逆時針方向的感生電流,但兩環(huán)如何運動呢? 此運動情況是由環(huán)在磁場中的受力情況決定的,而不能以兩環(huán)通過其感生電流的磁場相互作用為判斷依據(jù).這里恰恰犯了對原磁場和感生電流磁場相混淆的錯誤.

楞次定律當磁場增強時,兩環(huán)為阻礙磁通量的增加,均應收縮,故正確答案應選D.

圖4

例5如圖5 所示,在條形磁鐵下落過程中,置于光滑地面上的兩輕質閉合金屬環(huán)a和b是相互靠攏,還是彼此遠離?

分析以金屬環(huán)a為例,磁鐵下落的過程中與金屬環(huán)a相互靠近,a中的磁通量將增加,為了阻礙磁通量的增加,a只有向左運動;同理,b環(huán)將向右運動,即兩環(huán)彼此遠離.

從上述例子可以看出,在判斷電磁感應中閉合線圈的運動情況時,楞次定律判定法不僅大大簡化了分析過程,提高了答題速度,還避免了由于分不清感生電流的磁場與原磁場而引起的錯誤,提高了答題的準確性.

圖5