高二物理 （人教大纲版）第二册 第十六章 电磁感应 三、楞次定律──感应电流的方向(备课资料)

1、备课资料1.楞次楞次(18041865年)1804年2月24日诞生于爱沙尼亚.16岁以优异成绩考入家乡的道帕特大学.1828年被挑选为俄国圣彼得堡科学院的初级科学助理,1830年被选为圣彼得堡学院通讯院士,1834年选为院士.曾长期担任圣彼得堡大学物理数学系主任,后来由教授会选为第一任校长.楞次在物理学上的主要成就是发现了电磁感应的楞次定律和电热效应的焦耳楞次定律.1833年,楞次在圣彼得堡科学院宣读了他的题为“关于用电动力学方法决定感生电流方向”的论文，提出了楞次定律.亥姆霍兹证明楞次定律是电磁现象的能量守恒定律.在电热方面,1843年楞次在不知道焦耳发现电流热作用定律(1841年)的情况下

2、,独立地发现了这一定律.他用改善实验方法和改用酒精作传热介质,提高了实验的精度.1831年,楞次基于感应电流的瞬时和类冲击效应,利用冲击法对电磁现象进行了定量研究,确定了线圈中的感应电动势等于每匝线圈中电动势之和,而与所用导线的粗细和种类无关;1838年,楞次还研究了电动机与发电机的转换性,用楞次定律解释了其转换原理；1844年,楞次在研究任意个电动势和电阻的并联时,得出了分路电流的定律,比基尔霍夫发表更普遍的电路定律早了4年.1865年冬,楞次在意大利罗马中风去世.2.楞次定律的意义(1)楞次定律的几种表述感应电流具有这样的方向,就是感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.在磁铁与

3、线圈相对运动产生感应电流的情况下,感应电流的效果总是阻碍它们间的相对运动.(2)楞次定律的意义楞次定律的意义楞次定律的深刻意义在于它是普遍的能量转化和守恒定律在电磁感应现象中的具体体现.根据能量守恒和转化定律,能量不可能无中生有,感应电流的电能只能从其他形式的能量转化而来.下表列出了一些常见的转化.引起磁通量变化的基本方式能量转化磁铁或线圈运动机械能电能闭合电路中部分导体切割磁感线运动机械能电能另一个线圈中电流变化电能磁场能电能线圈中电流变化电能磁场能自感现象是属于特殊的电磁感应现象,也遵循楞次定律.自感电动势的作用总是阻碍导体中原来电流的变化,它是能量守恒和转化定律的必然结果.楞次定律的推广

4、含义楞次定律主要强调感应电流的方向总是使自己的磁场阻碍引起感应电流的磁通量变化.但在某些问题中并不要求具体确定感应电流的方向,而只需要定性判明感应电流所引起的机械效果等,这时引起感应电流的原因、磁通量变化和感应电流的效果不宜局限于楞次定律本身所述.在对楞次定律的意义,即能量的转化和守恒定律理解的基础上,可通过具体的不同问题对楞次定律的原因和效果进行延伸和发展,即“原因”既可指磁通量变化,也可指引起磁通量变化的相对运动、回路形变和导体中电流的变化等.“效果”既可理解为感应电流所激发的磁场,也可理解为因感应电流出现而引起的机械运动等等,此时可以将楞次定律的含义推广为:感应电流的效果总是阻碍引起感应

5、电流的原因.简称效果阻碍原因.应用推广含义分析解决某些问题比用楞次定律本身要快,要方便得多.3.磁流体发电你相信吗？儿子已经出生，可父亲却还在娘胎里呢.科学史告诉我们，当电动机出现在科学实验室里的时候，发电机这个词却还没人听说过呢！那时提供电源的是一堆堆伏打电池.最早研究电流磁效应的那些实验装置，都可以看成是原始的电动机，人们用这些东西来测量电流对磁场产生的影响.但反过来，变化的磁场会不会产生电流呢？直到1831年，英国科学家法拉第用一根磁棒插入线圈，使与线圈相连的电流表发生了指针偏转时，他才认识到，他已经用实验证明了磁感应电流的存在.于是，他向英国皇家学会递交了一篇论文.法拉第写道：“如果有

6、一个导体，在磁场中间运动，就会产生感应电流”.那时的人们还无法把这个发现和未来的大规模发电联系起来，有人问法拉第：“这个玩艺儿有什么用处呢？”对未来也是一样迷茫的法拉第也只好含糊地说：“谁知道新生的婴儿将来会做什么呢？”35年后，在这个伟大定律的指引下，人们造出了大型的发电机，婴儿长成了巨人，她推动人类进入了电气时代.那时，人们把切割磁感线的导体仅仅局限于金属导体，多少年都是用巨大的金属线圈.其实，法拉第本人也觉得在磁场中间运动的不一定是固体导体.流动的导体也应该一样可以完成切割磁场发电的任务.水是导电的，法拉第为此曾傻乎乎地带着磁铁跑到英国的泰晤士河去做了一次河水实验.后来，又有人设想用地中

7、海海峡的潮流去切割大地磁场来发电.这个算得上人类最大胆、最有想象力的实验和法拉第本人在河边上的异想天开当然都失败了.这种用流动的导体代替金属导体的发电方法叫做磁流体发电.过去人们认为传统的发电设计是完美无缺的.首先，人们把化石燃料经过燃烧变成热能，热气在涡轮机中推动上下运动的连杆，曲轴转成了机械能，发电机通过线圈的运动切割磁场来发电.在这四个转化过程中，除了能量在不断的转变中有些浪费以外，几乎是天衣无缝，反正那时候地球对于人类来说大着呢，地下有的是挖不完采不尽的煤和石油.后来地球的能源发生了危机，人们懂得了节约，便想尽方法来提高热机的效率.热力学原理的奠基者是位英年早逝的法国人卡诺.卡诺只来得

8、及在纸上证明了热力机的热效率与高低温热源成正比，说白了，就是锅炉烧得越烫，热效率就越高.可锅炉里的蒸汽不是火箭推进器，到了五六百度就已经顶天立地了，再向上升，锅炉就变成了可怕的重磅炸弹.我们中国的科学家经过不懈的努力，用了种种方法，才把发电的热能利用率从28%提高到30%，这两个百分点整整耗去了人们20多年的时间.人们又开始了旧话重提，他们想象，如果让烧得滚热的导电气体直接在一个大磁场中通过，不仅可以省掉中间两道机械能转换，而且，由于是气体直接在燃烧室里燃烧，温度可以达到摄氏两三千度.卡诺的纸上谈兵也向理想化迈进了一大步.这样粗算下来，估计可以一下子提高效率20%左右，这个前景太有诱惑力了.实

9、施的原理看上去也不复杂，于是科学家们忘记了泰晤士河和地中海边上的失败.又一次雄心勃勃地投入磁流体发电的研究.现代化学工业的发展使人们想到，可以在气体中加入钾或者铯的碱性金属化合物.这样不仅解决了气体的导电问题，而且被称为电离种子的碱性金属化合物在燃烧时可以和燃烧中对环境具有巨大污染的硫发生化学反应.这样，不需要专门的脱硫装置就能清除滚滚浓烟中的硫.1959年，美国阿夫柯公司的埃弗雷特实验室首次用磁流方式发电成功，几百盏电灯亮了20分钟.这个美丽的果实似乎马上就能被最先动手的人摘下来了.美国军方因为发现磁流体发电不必对锅炉进行几小时的预热，具有启动快的特点，都已经把它列为新式激光武器的电源了.可

10、谁也不知道，路还长着呢.磁流体发电主要由这么几个部分组成：首先是燃烧室，这儿像座蠢蠢欲动的火山，孕育着3000 的高温气体，人们再加入导电的电离种子.一切在这里憋足了劲，准备朝着长长的像炮管一样的发电通道冲过去，这可不是像地中海那样响声大动静小的浪头，更不是泰晤士河诗情画意般的慢慢流淌.这里像是那足以震动世界的搭载第一颗人造卫星升空时的火箭.在火箭喷射技术高速发展的今天，使气体运动的速度达到了1000 m/s，也就是音速的2.5倍，直到这时发电科学家才对火箭专家们说：“不用再快了”.然后就是要有一块包裹着发电通道的大磁铁，一般发电机中的磁场强度都不值得3000 的高温气体以火箭的速度一冲，好在

11、1911年人们就发现了低温超导现象.超导磁体的磁场强大得可以举着悬浮列车到处跑，但超导体要在零下273 时才能发生超导现象，要想把这个大家伙降到零下273 可不是件容易的事情.如果建一个用液氦来降温的低温站，其费用将大得惊人.研究高温超导的科学家为磁流体发电带来了好消息，超导体的温度从零下273 上升到了零下137 .人们用便宜的液氮就可以实现超导磁体.当人们用上核磁共振看病，就要坐上磁悬浮列车旅游的同时，磁流体发电也向商业化迈进了一大步.到今天为止，磁流体发电的研究已经奋斗了40年，人们似乎看到了胜利的曙光.现在的问题是寻找把发电通道内发出的电引出来的新型材料，这种材料不仅要导电性能好，而且

12、还要抗得住长期高温和高速冲击的考验，这是磁流体发电一直不能长时间持续发电的关键，大概也是最后一道难关.人们也许会问：从发电通道喷出的几千度高温气体就射向天空了吗？懂得节约的人们再不会这样大手大脚了.人们把喷出的尾气通入传统的蒸汽电站系统，用产生的蒸汽再一次发电，因此，磁流体发电的真正名字应该叫磁流体蒸汽循环发电.第一代磁流体循环电站的效率就可以达到52%.比传统电站的效率提高了近一倍.仅以煤为例，世界上年消耗煤炭大约45亿吨，其中有80%都是用来发电，这一倍的效率是多少吨煤炭呢？目前，美国已经建成短时间运动的磁流体3千瓦级发电机组，以煤为燃料的4千瓦级发电装置也投入了试验.但是从来都是以政府和民间大企业各出一半钱来支持高技术研究作为惯例的美国，因为民间企业还没有意识到能源问题迫在眉睫，因而不愿意在磁流体发电上继续出钱，只好暂停了这项研究.前苏联本来是磁流体发电研究步伐最快的国家，他们已经建成了以天然气为燃料的两万千瓦长时间发电机组.但政体的动荡，使准备兴建50万千瓦电站的计划，随着国家的解体而流产了.这不能不使资源日益紧张，污染越来越严重的地球扼腕叹息.我们中国也是世界磁流体发电研究的重要国家之一.我们的科学工作者在高温燃煤燃烧室，发电通道电离种子的回收等方面都取得了重大成就.并且