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电磁感应中的等效全电路
在电磁感应现象中有感应电动势产生,若电路是闭合的,电路中就产生感应电流,这类电路问题与直流电路有着相同的规律,全电路欧姆定律、串并联电路的一些规律都可应用。但在电磁感应现象中,产生感应电动势的那部分导体相当于电源,这个“电源”不象电池那么直观,比较隐蔽,如果不加注意,就会出现一些不必要的错误。
[例1]如图1所示,L
1
与L是套在同一铁心上的两
2
个线圈,线圈L
1
与电源及变阻器相
连,线圈L
2
左移动
与电阻R组成一闭合回路,当变阻器滑片向
时,A、B两点电势哪点高?A'、B'两点电势哪点高?
[解]由图可知,电流从A点通过L
1
故U
A
线圈流向B点,
减少,L
2
U;由于滑片向右移动,L
B 1
中的磁通量变化也应是向下减少,根据愣次定律,故
中电流减小,向下的磁通量也
L中电流方向应由A'通过L
2 2
流向B',根据电流从高电势流
向低电势的规律,故也有U'U'。
A B
这里最后的结论U'U'错了,主要原因是忽略了L与L的地位不同,L
A B 2 1 1
在电路里
是用电器,而L
2
是相当于电源的导体,对电源来讲,流出电流端“B′”是正极,而流入
端“A′”是负极,故应有U'<U',与L两端的判断刚好相反。
A B 1
另外,在处理串、并联关系时,如果不把产生感应电动势的那部分导体作为电源来处理,则电路的串、并联关系就会打乱,从而出现计算的错误。
[例2]如图2所示,平面上安放一个金属圆环,过其圆
心o在环上搁一根金属棒ab,ab之长恰等于圆环的直径D,
ab可绕固定于o点的垂直环面的轴转动,转动时a、b
端始
终与环保持良好的接触,在o点和环之间再接上一根
金属棒
oc,它的长度等于环的半径。以上金属环和两根金属棒都是相同金属丝制成的。现垂直圆环面加上向纸内磁感应强
度B的匀强磁场。使ab绕o点以角速度ω顺时针匀速旋转,且旋转不受oc棒的影响,等到ab
转到如图2所示位置时,求oc之间的电势差。
[解]当ab顺时针旋转切割磁力线时,oa段与ob段都产生感应电
动势,由右手定则可知,oa段是a端为正极,ob段是b段为正极,
两段导体产生的感应电动势大小相等,设oa段、ob段电阻大小为
r,则等效电路如图3所示,且 ,由于a、b是等电势的,故2R电阻中无电流流过,可进一步把电路等效成图4。
则
oc两端电压 ,故Uc>Uo
在有些电磁感应问题中,相当于电源的那部分导线比较隐蔽,需仔细分析才不会找错。
[例3]如图5所示,正方形线圈abcd绕垂直于匀强磁场的过ad边的固定轴oo'匀角速转动,磁感应强度为B,角速度为ω,已知正方形线圈每边长为L,每边电阻值为R,现将a、d两点通过阻值为R的电阻用导线连接,求通过电阻R的电流。
[解]金属线圈abcd绕oo'转动时,产生的是交流电,感应电动势最大值为
有效值为 。下
面要注意的是不
能把整个金属线圈abcd都看作是电源,这里切割磁力线的
仅仅是bc边,故这个电路的等效电路如图6所示,其中电
源电动势 ,电源内阻r=R, ,
通过电阻R的电流为 。
所以在电磁感应现象中,正确分析相当于电源的那部
分导体,是解决问题的重要关键。