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物 理
第5章 电场、磁场与电磁感应
5.1 电荷与电场
5.4 磁场对电流的作用
5.2 电势能、电势与电势差
5.3 磁场
5.5 电磁感应
5.6 自感与互感
5.4 磁场对电流的作用
5.4.1 左手定则
演示实验5-3 磁场对通电直导线的作用
在如图所示的实验中，当导线中有电流通过时，可以看到导线发生移动．如果改变通电导线的电流方向，则导体棒的运动方向也随着改变，即其所受安培力的方向也发生改变；如果调换磁铁两极的位置，即改变磁场的方向，导线运动的方向也随之改变．
通过大量的实验，人们总结出通电直导线所受安培力的方向和磁场方向以及电流方向之间的关系，可以用左手定则来判定，左手平展，使大拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内，把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并且使伸开的四指指向电流方向，那么，大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．
由此可见，通电导线在磁场中的受力方向跟磁场方向、导线中的电流方向都有关．
通过大量的实验，人们发现，当长度为l的直导线垂直于磁场方向放入磁感强度为 B 的磁场时，对导线通电，电流为 I，则通电直导线所受到的安培力的大小等于磁感强度 B、电流 I 和导线长度 l 三者的乘积．这个规律最初是由安培通过实验归纳出来的，所以人们就把它叫做安培定律．用公式表示为
5.4.2 安培定律
5.5 电磁感应
5.5.1 电磁感应现象
演示实验5-4 电磁感应现象
如图所示，把导体AB和电流表连接起来形成一个闭合电路，当导体AB在磁场中向左或向右做切割磁感线的运动时，发现电流表的指针发生了偏转，表明电路中产生了电流．而如果导体AB在磁场中向上或向下运动时，电流表的指针不会发生偏转．
如图所示，把线圈 A 和电流表连接起来，组成闭合导体回路．当条形磁铁插入线圈或从线圈拔出时，会发现电流表的指针发生偏转，表明电路中产生了电流．如果保持磁铁在线圈中不动，则电流表的指针不会发生偏转，电路中就没有产生感应电流．
如图所示，把线圈B套在线圈A的外面，线圈B的两端接在电流表上．合上开关给线圈A通电的瞬间，电流表的指针发生偏转，线圈B中有了电流．当线圈A中的电流达到稳定时，线圈B中的电流消失．断开开关使线圈A断电时，线圈B中也有电流产生．如果用变阻器来改变电路中的电阻，使线圈A中的电流发生变化，线圈B中也有电流产生．
由磁场产生电流的这种现象叫做电磁感应现象．在电磁感应现象中形成的电流叫做感应电流． 通过以上实验可以看出，通过闭合电路的一部分导体做切割磁感线的运动或是闭合电路中的磁场发生变化，都能利用磁场产生电流．也就是说，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生．
根据实验我们可以总结出：不论用什么方法，只要通过闭合电路导体回路的磁通量发生变化，回路中就有感应电流产生．
5.5.2 右手定则
我们可以用右手定则来判断感应电流的方向：伸开右手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都处于同一个平面内．把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，拇指指向导体运动的方向，其余四指所指的方向就是感应电流的方向，如图所示．
1．感应电动势
在电磁感应现象中，闭合电路中有感应电流产生，那么，这个电路中应该也存在电动势．我们把在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势．
2．法拉第电磁感应定律
英国物理学家法拉第通过精确地实验得出结论：导体回路中感应电动势的大小，跟通过这一电路的磁通量的变化率成正比．这就是法拉第电磁感应定律．
5.5.3 法拉第电磁感应定律
设在时间 内，穿过某单匝线圈的磁通量的变化量为 ，则在单匝线圈中产生的感应电动势 E 为
式中，E， ， 的单位分别为 V，Wb，s．
如果是多匝线圈，线圈有 n 匝，整个线圈的感应电动势就是单匝线圈的 n 倍，即
【例题5】 一个面积为20 cm2，匝数为500匝的线圈，放入 B＝0.02 T 的匀强磁场中．在1 s 内把线圈从平行于磁感线方向转90°变为与磁感线方向垂直，求感应电动势的平均值．
解：当线圈平面垂直于磁感线方向时，穿过线圈的磁通量
当线圈平面平行于磁感线的方向时，穿过线圈的磁通量等于0，因此
由法拉第电磁感应定律，得
分析：根据磁场的磁感应强度和线圈的面积，可以求出穿过线圈的磁通量，根据磁通量的变化值就可以求出电动势的平均值．在计算时注意换算为国际制单位．
5.6 自感与互感
1．自感现象
如图所示连接电路．接通电路时可以发现，跟滑动变阻器串联的灯泡 L2立刻正常发光，而跟线圈串联的灯泡 L1却是逐渐变亮的．这时因为，在接通电路的瞬间，穿过线圈的电流增加，造成穿过线圈的磁通量也增大，因而线圈中产生感应电动势，这个感应电动势阻碍了线圈中电流的增大，因此 L1不能立刻亮起来，要逐渐变亮．
5.6.1 自感
如图所示连接电路．接通电路，灯泡L正常发光．断开电路，此时可以发现，灯泡并不是立刻熄灭，而是很亮地闪了一下才熄灭．这是由于电路断开的瞬间，通过线圈的电流减弱，穿过线圈的磁通量减少，因而线圈中产生了感应电动势，阻碍电流的减小．虽然这时 S 已经断开，但是线圈依然和灯泡 L 组成了闭合电路，在这个电路中有感应电流通过，使灯泡发光．
这种由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象．在自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势．自感系数的单位是亨利，简称亨，写作 H．
2．日光灯的工作原理
简单的日光灯电路由灯管、启辉器和镇流器等组成，如图所示．
当接通电源时，电源电压全部加在辉光管的两个电极之间，启辉器内的氩气发生电离．电离的高温使倒U型电极受热趋于伸直，两电极接触，形成通路并加热灯丝，使氧化物发射电子．同时，辉光管两个电极接通时，电极间电压为0，启辉器中的电离现象立即停止，U型金属片因温度下降而复原，两电极离开．
在离开的一瞬间，使镇流器流过的电流发生突然变化（突降至0），由于镇流器铁心线圈的自感作用，产生足够高的自感电动势作用于灯管两端．这个感应电压连同电源电压一起加在灯管的两端，使灯管内的惰性气体电离而产生弧光放电．随着管内温度的逐渐升高，水银蒸气游离，碰撞惰性气体分子放电．当水银蒸气弧光放电时，就会辐射出不可见的紫外线，紫外线激发灯管内壁的荧光粉后发出可见光．
1．互感现象
由于一个电路中的电流的变化，在另一个电路中产生感应电动势的电磁感应现象称为互感．在互感现象中，两个电路中并没有电的联系，而是通过磁的联系把电能从一个电路传送到另一个电路．
2．变压器的工作原理
变压器是利用互感原理工作的电磁装置，主要由铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，变压器的一个线圈与电源连接，叫做原线圈或初级线圈，另一个线圈与负载连接，叫做副线圈或次级线圈．两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的，铁芯是由涂有绝缘漆的硅钢片等磁性材料叠合而成的．
5.6.2 互感
在理想情况下，可认为穿过这两个线圈的交变磁通量相等，则这两个线圈每匝产生的感应电动势相等，因此，在这种情况下，变压器原线圈与副线圈的端电压之比就等于这两个线圈的匝数比．若理想变压器原线圈两端的电压是 U1，副线圈两端的电压是 U2，原线圈的匝数是 n1，副线圈的匝数是 n2，则
当n2＞n1时，U2＞U1，变压器使电压升高，这种变压器叫做升压变压器；而当n2＜n1时，U2＜U1，变压器使电压降低，这种变压器叫做降压变压器．

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