電磁感應(yīng)現(xiàn)象中讓人困惑情景的分析討論

陶 科

（佛山市南海中學(xué)分校，廣東 佛山 528208）

電磁感應(yīng)現(xiàn)象和法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)部分的重要內(nèi)容.學(xué)生在學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容的過程中有時(shí)遇到一些情景，有時(shí)甚至饒有興趣地設(shè)想出了一些情景，這些情景都很有“希望”否定掉法拉第電磁感應(yīng)定律，但最終都未成功.現(xiàn)將這些情景呈現(xiàn)出來并分析其中的原因，希望對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和法拉第電磁感應(yīng)定律有更深刻的認(rèn)識(shí).

1 回路選擇不準(zhǔn)確

如圖1所示為法拉第直流發(fā)電機(jī)的示意圖，該情景如果從切割磁感線的角度思考：將圓盤看成是由很多輻條組成，每條都在切割磁感線并且它們之間是并聯(lián)關(guān)系，取其中任意一根輻條Oa俯視圖如圖2所示，其中的感應(yīng)電動(dòng)勢并且根據(jù)右手定則可判斷輻條中的感應(yīng)電流沿aO方向.這種方法直觀、簡潔，容易得到大家的認(rèn)同.

圖1

圖2

但有些思維敏捷的學(xué)生，很快想到從磁通量變化的角度思考：磁感線穿過圓盤和導(dǎo)線組成回路，其中導(dǎo)線部分的面積不變，而圓盤部分的面積也沒有變，因此ΔΦ＝0，沒有感應(yīng)電流.為什么不同的思考角度，得到的結(jié)論不同，問題的關(guān)鍵在哪里呢？

圖3

整個(gè)圓盤由無數(shù)根輻條組成，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從整個(gè)圓盤來看它的磁通量是不變的，但圓盤并不是真正的與燈泡組成的回路，因此所謂磁通量的變化是指與無數(shù)根輻條對(duì)應(yīng)的若干個(gè)閉合回路來說的.各個(gè)輻條在相同時(shí)間轉(zhuǎn)過角度相同，因此對(duì)應(yīng)的磁通量的變化ΔΦ＝BΔS均相等，各輻條對(duì)應(yīng)的回路感應(yīng)電動(dòng)勢相等.因此準(zhǔn)確選取回路作為研究對(duì)象，是運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行判斷的前提.

2 磁感線分布不清晰

如圖4所示通電線圈產(chǎn)生磁場，磁場通過導(dǎo)磁物質(zhì)形成磁極N、S，有一金屬方框套在磁極N上，并在磁極狹縫間豎直下落，金屬方框平面水平，在狹縫中磁場從N極到S極，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，俯視圖如圖5所示.

在該情景中，從切割磁感線的角度思考：狹縫中的線框向下切割磁感線，感應(yīng)電動(dòng)勢為E＝Blv＋Blv＝2Blv，感應(yīng)電流從上向下看為順時(shí)針方向.這種角度思考也很清晰、明了，好像是沒有什么問題了.

圖4

圖5

但有些學(xué)生仔細(xì)一想還是發(fā)現(xiàn)了問題，從磁通量變化的角度思考：在狹縫中磁場從N極到S極，所以磁場水平如圖6所示，而金屬方框平面也是水平的，因此線框中磁通量Φ＝0，線框向下運(yùn)動(dòng)，磁感線仍與線框平行，所以磁通量始終為0，這又是怎么回事呢？

圖6

圖7

其實(shí)問題在于磁感線是一個(gè)閉合曲線，裝置中的磁感線分布如圖7所示，在狹縫中磁場從N極到S極，可以看到當(dāng)金屬方框從上向下落的時(shí)候，方框中的磁通量增大，感應(yīng)電流從上向下看為順時(shí)針方向，與切割角度思考的結(jié)果是一樣的.因此在運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行判斷的時(shí)候，要注意分析磁感線的完整分布.

3 與物理事實(shí)不符合

有人設(shè)計(jì)了這樣一種情景：在空間一正方形區(qū)域中，有一水平向右的磁場B如圖8所示，在該磁場區(qū)域左側(cè)有一個(gè)金屬線框abcd，線框ad邊在磁場區(qū)域外，cb邊在磁場區(qū)域內(nèi)，線框平面與磁感線平行，現(xiàn)讓線框向下平動(dòng)，其中cb邊切割磁感線，由右手定則可判斷線框中電流方向?yàn)閏bad.

圖8

但在該情景中從磁通量變化的角度思考：在線框向下平動(dòng)的過程中，磁感線始終與線框平面平行，線框中磁通量始終為0，即磁通量不發(fā)生變化，不產(chǎn)生感應(yīng)電流.

該情景中問題出在什么地方呢，問題就在于如圖8所示的磁場根本不存在，該情景與物理事實(shí)不符合，磁感線為一閉合曲線，在該正方形區(qū)域的外面也必然存在著相應(yīng)的磁感線，在cb邊切割磁感線的同時(shí)，ad邊也同時(shí)切割磁感線，兩邊的感應(yīng)電動(dòng)勢相等，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電流，這樣兩種判斷達(dá)到一致.

1 賈啟民，鄭永令，陳暨耀.電磁學(xué).北京：高等教育出版社，2004，213

2 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué).北京：高等教育出版社，2001，207

3 奇琍.法拉第電磁感應(yīng)定律有例外嗎.物理與工程，2005，15（3）：40

4 顧永建.一個(gè)電磁感應(yīng)佯謬及其理論分析.大學(xué)物理，2002，21（1）：29