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生變化時,線圈中就會產生感應電流,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,從而出現判斷錯誤.

實質上,楞次定律的“阻礙”二字指的是“反抗著產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,金屬環可以沿線圈的鐵芯自由運動.當開關S 斷開的瞬間,環將如何運動?

方法1力學分析

在開關S斷開的瞬間,通過線圈電流減少,它產生的磁場減弱,因而通過環的磁通量減少,由楞次定律可知環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,一部分和環面垂直向左,一部分和環面平行,方向由環心沿半徑向外,由左手定則可知,方向向左的那部分磁場對環各部分的作用力都是沿半徑指向環外,即這部分磁場對環作用力的合力為零,因而對環的運動不起作用.而和環面平行的那部分磁場對環各部分的作用力都向右且平行,即環受到一個向右的磁場力的作用,因而環向右運動.

方法2楞次定律

在開關S斷開的瞬間,線圈中的電流減小,它產生的磁場減弱,因而通過環的磁通量將減少,由楞次定律知感生電流阻礙通過環的磁通量的減少,那么環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護。根據所在科室的技術規范對相關患者進行重點藥學監護并設計有效的藥學監護方案,加強與主治醫師以及護理人員的交流及合作,提高對病人用藥情況的監測,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,以患者的病情發展實際提出用藥方案的調整建議。對重點藥學監護患者,應按規范書寫藥歷,并按有關規定妥善保存。患者病情好轉或消除重點藥學監護因素,轉入常規藥物治療藥學監護后,即可結束重點藥學監護。

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.為說明上述優點,請看下面的例子.

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

A.a環收縮,b環擴張

B.a環擴張,b環收縮

C.兩環都擴張

D.兩環都收縮

錯選 磁場增強時,通過兩環的磁通量均增加,由楞次定律知,兩環均產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,兩環均產生逆時針方向的感生電流,但兩環如何運動呢? 此運動情況是由環在磁場中的受力情況決定的,而不能以兩環通過其感生電流的磁場相互作用為判斷依據.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a和b是相互靠攏,還是彼此遠離?

分析以金屬環a為例,磁鐵下落的過程中與金屬環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環將向右運動,即兩環彼此遠離.

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