在电磁感应中,我们举一个最简单的例子,金属导体切割磁通线,产生感应电动势!在金属导体切割磁通线的过程中,金属导体在磁场中移动的速度越快,闭合回路中磁通量φ的变化就越大,通过闭合回路的电流就越大。
根据闭合回路中的欧姆定律I=E/(R+r),当内外电阻不变时,闭合回路中的电流与电源电动势有关。也就是说,闭合回路中的磁通变化越快,金属导体两端的电动势就越大。
因此有人得出一个结论:当金属导体在磁场中切割磁力线时,其两端产生的感应电动势的大小与磁通的变化率成正比,即E=K△φ/△t。整个公式中,比例常数K现在是一个未知量。如何确定比例常数K的大小呢?
根据磁通φ=BS,当导体在均匀磁场中切割磁力线时,△φ=B△S,而B=F/LI,故△φ=F△S/LI。现将此公式代入K△φ/△t,可得KF△S/LI△t,而电流I△t=q,因此上式也可简化为KF△S/Lq。
但金属导体的长度为L,为常数,而△S/L等于金属导体在磁场中平移的量,为h。因此,上式可进一步简化为KFh/q,而力F乘以位移h恰好等于功W,因此上式可进一步简化为KW/q。
电场中电力对点电荷所作的功与其电荷的比值称为该电场的电动势,即e=W/q。因此,金属导体两端的电动势为E=Ke。由此可得出比例常数K等于1,因此金属导体两端的电动势大小为E=△φ/△t。
当然,这个公式只能定性地对金属导体的感应电动势的变化进行分类,而不能用于实际计算。因此,有人在此定义的基础上感应电动势计算公式,进一步推导出金属导体两端电动势的表达式。请看推导过程。
设导体在磁场中运动的速度为V,导体的长度为L,磁场的磁感应强度为B,则△S=LV△t。那么,此时通过闭合回路的磁通量的变化量为△φ=BLV△t。将此公式代入E=△φ/△t,可得E=BLV。
如果导体在磁场中的运动方向与磁场成一定的角度,那么导体平行于磁场方向的分量不会产生感应电动势,而垂直于磁场方向的分量则会产生感应电动势。因此感应电动势计算公式,在用公式E=BLV计算导体的感应电动势时,必须加上导体与磁场夹角的正弦值。
即E=α。可以看出,导体在磁场中切割磁通线产生的感应电动势的大小与磁感应强度B、导体的长度L、导体的速度V、导体与磁场之间夹角α的正弦成正比。
这只是单个导体在磁场中产生的感应电动势的情况。对于线圈在磁场中产生的感应电动势,我们首先可以把线圈看作一系列通电的圆环。由于线圈是由N圈通电圆环构成的,所以每个通电圆环产生的感应电动势为E=△φ/△t。
因此通电圆环在磁场中产生的感应电动势E=N△φ/△t。