题目
无限长直导线,通有电流I。近旁有一与之平行的导体ab,长l。此时导体与导线距离d。若导体以垂直于导线方向的速度v向右平移,求此时刻t导体内感应电动势的大小和方向。
无限长直导线,通有电流I。近旁有一与之平行的导体ab,长l。此时导体与导线距离d。若导体以垂直于导线方向的速度v向右平移,求此时刻t导体内感应电动势的大小和方向。
题目解答
答案
当一个导体以速度v向右平移时,穿过一个磁场,会感应出电动势。根据法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小和方向由以下公式给出:
其中,ε是感应电动势的大小,Φ是磁通量,t是时间。
首先,我们需要计算磁通量Φ。在这个情况下,磁通量由导线产生的磁场穿过导体ab的面积决定。由于导线是无限长的直导线,它产生的磁场是一个环绕导线的圆圈,其磁感应强度B可以由安培环路法则计算。
其中,μ₀是真空中的磁导率,I是导线中的电流,d是导线与导体ab之间的距离。
接下来,我们需要考虑导体ab平移的情况。在时间t内,导体ab会切割这个磁场,导致磁通量Φ变化。假设导体ab的长度为l,那么在时间t内,它切割的磁通量ΔΦ可以计算为:
然后,我们可以计算感应电动势ε:
ε = -dΦ/dt = -ΔΦ / Δt
现在,我们需要考虑方向。根据楞次定律,感应电动势的方向会使电流通过导体ab,以阻止磁通量的变化。由于导体ab向右平移,磁通量增加,所以感应电动势的方向将使电流从导体ab的右侧向左流动。
因此,感应电动势的大小为ε = ΔΦ / Δt,方向是从导体ab的右侧向左侧,与导体ab的平移方向相反。
这个公式可以用来计算在给定时间t内,感应电动势的大小和方向。只需将实际的数值代入公式,即可得到具体的结果。
解析
步骤 1:计算导线产生的磁场
根据安培环路定理,无限长直导线产生的磁场强度B为:
\[ B = \frac{\mu_0 I}{2\pi d} \]
其中,\(\mu_0\)是真空中的磁导率,I是导线中的电流,d是导线与导体ab之间的距离。
步骤 2:计算磁通量变化率
导体ab以速度v向右平移,切割磁感线,导致磁通量变化。在时间t内,导体ab切割的磁通量变化量\(\Delta \Phi\)为:
\[ \Delta \Phi = B \cdot l \cdot v \cdot t \]
其中,l是导体ab的长度,v是导体ab的速度,t是时间。
步骤 3:计算感应电动势
根据法拉第电磁感应定律,感应电动势\(\varepsilon\)为:
\[ \varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} = -\frac{B \cdot l \cdot v \cdot t}{t} = -B \cdot l \cdot v \]
由于导体ab向右平移,磁通量增加,根据楞次定律,感应电动势的方向将使电流从导体ab的右侧向左流动,以阻止磁通量的变化。
根据安培环路定理,无限长直导线产生的磁场强度B为:
\[ B = \frac{\mu_0 I}{2\pi d} \]
其中,\(\mu_0\)是真空中的磁导率,I是导线中的电流,d是导线与导体ab之间的距离。
步骤 2:计算磁通量变化率
导体ab以速度v向右平移,切割磁感线,导致磁通量变化。在时间t内,导体ab切割的磁通量变化量\(\Delta \Phi\)为:
\[ \Delta \Phi = B \cdot l \cdot v \cdot t \]
其中,l是导体ab的长度,v是导体ab的速度,t是时间。
步骤 3:计算感应电动势
根据法拉第电磁感应定律,感应电动势\(\varepsilon\)为:
\[ \varepsilon = -\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} = -\frac{B \cdot l \cdot v \cdot t}{t} = -B \cdot l \cdot v \]
由于导体ab向右平移,磁通量增加,根据楞次定律,感应电动势的方向将使电流从导体ab的右侧向左流动,以阻止磁通量的变化。