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电场力在感生电场中做功与路径无关

2022-01-05    小牛物理
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变化的磁场在其周围空间激发的电场叫涡旋电场,即感生电场。涡旋电场是一种非保守场,其电场线是无始无终的闭合曲线。

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

感生电动势源于磁场的变化,跟导体是否构成回路或回路是否闭合无关。即使不存在导体或导体回路,变化磁场周围的涡旋电场也是存在的,只是这时不存在感应电流。感生电场是一种涡旋电场,涡旋电场会对电荷产生力的作用,电场力与速度均在切线上故电场力在感生电场中做功不为零.

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

静电场与感生电场的区别:

(1)产生机理不同,涡旋电场是变化的磁场的产生,而静电场是电荷产生的。

(2)电场线的特点不同,静电场的电场线起于正电荷终止于负电荷,是不闭合的;而涡旋电场的电场线没有起点、终点,是闭合的。

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

(3)电场力做功不同,涡旋电场线是闭合的,这使得电子在涡旋电场中受到的电场力做的功与其运动路径有关。比如电子在涡旋电场中沿着导线环运动一周,电场力力做的功W非=ΣF·△S,而在静电场中电子沿着导线环运动一周,其电场力做功为0。所以在涡旋电场中不能建立“电势”和“电势能”的概念。

(4)涡旋电场产生的电场强度的分布有它的特点。

如果以下图中圆心O为坐标原点,向右建立一维坐标轴x,在x轴上各处电场强度的大小E与x之间的关系.

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

求x处的涡旋电场场强,匀强磁场分布在半径为R的圆周内.

电场力在感生电场中做功与路径无关

 


电场力在感生电场中做功与路径无关

 

例题:麦克斯韦电磁理论认为:变化的磁场会在其周围空间激发一种电场,这种电场与静电场不同,称为感生电场或涡旋电场,如图甲所示。

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

(1)若图甲中磁场B随时间t按B=B₀+kt(B₀、k均为正常数)规律变化,形成涡旋电场的电场线是一系列同心圆,单个圆上形成的电场场强大小处处相等。

将一个半径为r的闭合环形导体置于相同半径的电涡旋电场场线位置处,导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动,产生感应电流,或者说导体中产生了感应电动势。求:

a.环形导体中感应电动势E感大小;

b.环形导体位置处电场强度E大小。

(2)电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备。它的基本原理如图乙所示,图的上部分为侧视图,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电子在真空室中做圆周运动。图的下部分为真空室的俯视图,电子从电子枪右端逸出,当电磁铁线圈电流的大小与方向变化满足相应的要求时,电子在真空室中沿虚线圆轨迹运动,不断地被加速。

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

若某次加速过程中,电子圆周运动轨迹的半径为R,圆形轨迹上的磁场为B₁,圆形轨迹区域内磁场的平均值记为B₂(由于圆形轨迹区域内各处磁场分布可能不均匀,B₂即为穿过圆形轨道区域内的磁通量与圆的面积比值)。电磁铁中通有如图丙所示的正弦交变电流,设图乙装置中标出的电流方向为正方向。

a.在交变电流变化一个周期的时间内,分析说明电子被加速的时间范围;

b.若使电子被控制在圆形轨道上不断被加速,B₁与B₂之间应满足B₁=B₂/2的关系,请写出你的证明过程。

电场力在感生电场中做功与路径无关

 

例题:如图甲所示,在圆柱形区域内存在一方向竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场,在此区域内,沿水平面固定一半径为r的圆环形光滑细玻璃管,环心O在区域中心.一质量为m、带电荷量为q(q>0)的小球在管内沿逆时针方向(从上向下看)做圆周运动.已知磁感应强度大小B随时间t的变化关系如图乙所示,其中T₀=2πm/qB₀设小球在运动过程中电荷量保持不变,对原磁场的影响可忽略.

(1)在t=0到t=T₀这段时间内,小球不受细管侧壁的作用力,求小球的速度大小v₀.

(2)在竖直向下的磁感应强度增大的过程中,将产生涡旋电场,其电场线是在水平面内一系列沿逆时针方向的同心圆,同一条电场线上各点的场强大小相等.试求t=T₀到t=1.5T₀这段时间内细管内涡旋电场的场强大小E及电场力对小球做的功W.

电场力在感生电场中做功与路径无关

 


电场力在感生电场中做功与路径无关

 

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