這部分內(nèi)容包括電磁感應(yīng)現(xiàn)象、交變電流以及有關(guān)電磁場和電磁波等知識.下面兩個問題是這部分的重點和難點:
1、對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的深入理解
閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng),可以認為感應(yīng)電流是由于感應(yīng)電動勢的作用而產(chǎn)生的,感應(yīng)電動勢從本質(zhì)上講有兩種:一種是由于導體切割磁感線而產(chǎn)生的,我們把它稱為“動生電動勢”,它的大小 (式中b、l、v三個物理量應(yīng)互相垂直);另一種是由于磁場的變化而引起的,根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,當磁場發(fā)生變化時,會在周圍空間產(chǎn)生電場,正是由于這個電場的存在,才使得閉合電路中產(chǎn)生電動勢,這就是“感生電動勢”.
我們中學課本把由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動勢統(tǒng)稱為感應(yīng)電動勢,由感應(yīng)電動勢引起的電流統(tǒng)稱為感應(yīng)電流.我們中學課本中說“當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時,電路中要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢”,這里引起閉合電路中磁通量發(fā)生變化的原因可以不同,一種可能是空間的磁場沒有發(fā)生變化,但由于閉合電路的一部分導體做切割磁感線的運動,使得穿過電路中的磁通量發(fā)生變化,這時產(chǎn)生的電動勢是動生電動勢;也可能是閉合電路本身沒有發(fā)生變化,但空間的磁場發(fā)生了變化,在電路中也產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢,這種電動勢是感生電動勢.用公式 求出的電動勢可能是感生電動勢,也可能是動生電動勢,但用公式e=blv求出的電動勢一定是動生電動勢.
對由動生電動勢引起的電流,其方向一般用右手定則判定,但常常也可以用楞次定律判定,而對于由感生電動勢引起的電流,一般不能用右手定則判定,而要用楞次定律判定.
我們把法拉第電磁感應(yīng)定律加一個負號,成為 ,其中的負號表示“產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”,則這個加負號的公式就可以把楞次定律的內(nèi)容包含在內(nèi),從而它成為全面表示電磁感應(yīng)規(guī)律的公式.
在使用公式 進行計算時要注意,如果時間δt較長,則計算出來的是這段時間內(nèi)的平均感應(yīng)電動勢,如果δt很短,則可認為計算出來的感應(yīng)電動勢是這個時刻的瞬時值.在表示磁通量φ隨時間t變化的φ~t圖中,通過圖像某點的切線的斜率表示圖像在該點的變化率,因此它能反映該時刻的感應(yīng)電動勢的瞬時值的情況.
在有些情況下,動生電動勢和感生電動勢是同時存在的,例如某電路處在隨時間變化的磁場中,電路中還有部分導體在做切割磁感線運動,則引起穿過電路中的磁通量發(fā)生變化的原因有兩個,一方面導體切割磁感線運動而要產(chǎn)生動生電動勢;另一方面由于磁場的變化,在電路所圍的空間中要產(chǎn)生電場,在這個電場(注意:這種由于磁場變化而產(chǎn)生的電場不是靜電場,它與靜電場的最大不同是它的電場線沒有起點和終點,而是閉合曲線.)的作用下要產(chǎn)生感生電動勢.這兩個電動勢產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向有可能是相同的,這時總的感應(yīng)電動勢等于兩電動勢之和;這兩個電動勢產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向也有可能是相反的,這時總的感應(yīng)電動勢等于兩電動勢之差.
2、正弦交流電及其有效值問題
電流方向周期性變化的電流稱為交變電流,其中正弦交流電是使用最廣泛的一種交變電流,它的電動勢、電壓、電流都按正弦或余弦規(guī)律變化,即:
, ,
上面三個式子都表示各物理量的瞬時值都是時間t的正弦函數(shù),在變化過程中各有其最大值.
有效值是描述交變電流的一個重要物理量,它是從“生熱等效”的角度定義的:如果一直流i,它通過一個電阻時發(fā)出的熱量跟一交流電在同樣時間內(nèi)通過同一個電阻時發(fā)出的熱量相同,就說這個交流電的有效值是i.這里所說的“同樣時間”,最小是1個周期,或等于周期的整數(shù)倍.對于一段較長時間(例如幾分鐘或更長時間),常??梢圆蝗タ紤]它是不是等于交流電周期的整數(shù)倍,但對于較短的時間,則必須強調(diào)這一點.
對于正弦交流電來說,有效值等于最大值的 倍,即i= im,u= um.但這個結(jié)論只對正弦交流電適用,不能隨意推廣到其他交變電流.