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电磁感应是物理学中的重要现象。当导体在磁场中运动或磁场发生变化时,会产生感应电动势。法拉第电磁感应定律告诉我们,感应电动势等于磁通量变化率的负值。楞次定律则指出,感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化。这些基本规律是我们分析复杂电磁感应问题的基础。
现在我们来分析线框穿越磁场的经典问题。当矩形线框垂直穿越有界匀强磁场时,整个过程可以分为三个阶段。第一阶段是线框进入磁场,此时磁通量增加,产生感应电动势等于BLv。第二阶段是线框完全在磁场中,磁通量不变,感应电动势为零。第三阶段是线框离开磁场,磁通量减少,再次产生感应电动势BLv。感应电流等于电动势除以电阻,安培力等于BIL,这个力会阻碍线框的运动。
现在我们建立线框运动的动力学方程。根据牛顿第二定律,线框的加速度等于合外力除以质量。线框受到重力mg向下,安培力B²L²v除以R向上。当线框刚开始运动时,速度小,安培力小,加速度大。随着速度增加,安培力增大,加速度减小。当重力等于安培力时,线框达到终端速度,此时加速度为零,线框匀速运动。终端速度等于mgR除以B²L²。
现在我们从能量角度分析线框穿越磁场的过程。根据能量守恒定律,系统的总能量保持不变,但各种形式的能量会相互转化。线框下降时,重力势能减少,一部分转化为动能,另一部分转化为热能。焦耳热等于感应电流的平方乘以电阻和时间,也可以表示为BLv的平方乘以时间除以电阻。机械能的损失完全等于产生的热能。瞬时功率等于B²L²v²除以R,这反映了能量转化的快慢。
现在我们来学习双杆模型,这是电磁感应中的另一个重要问题。双杆模型由两根平行导轨和两根可以在导轨上滑动的导体杆组成,整个系统处在匀强磁场中。当两杆以不同速度运动时,回路的磁通量发生变化,产生感应电动势,大小等于BL乘以两杆的速度差。感应电流等于电动势除以回路总电阻。两根杆都会受到安培力作用,大小相等但方向相反,这体现了牛顿第三定律。安培力的大小等于BIL,也可以表示为B²L²乘以速度差再除以电阻。