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《大学物理》 第二版 第八章课后习题解答
习题精解
8-1 一根无限长直导线有交变电流,它旁边有一与它共面的矩形线圈ABCD,如图8.3所示,长为的AB与CD两边与直导向平行,它们到直导线的距离分别为a与b,试求矩形线圈所围面积的磁通量,以及线圈中的感应电动势。
解 建立如图8.3所示的坐标系,在矩形平面上取一矩形面元,载流长直导线的磁场穿过该面元的磁通量为
通过矩形面积CDEF的总磁通量为
由法拉第电磁感应定律有
8-2 有一无限长直螺线管,单位长度上线圈的匝数为n,在管的中心放置一绕了N圈,半径为的圆形小线圈,其轴线与螺线管的轴线平行,设螺线管内电流变化率为,球小线圈中感应的电动势。
解 无限长直螺线管内部的磁场为
通过N匝圆形小线圈的磁通量为
由法拉第电磁感应定律有
8-3 一面积为S的小线圈在一单位长度线圈匝数为n,通过电流为i的长螺线管内,并与螺线管共轴,若,求小线圈中感生电动势的表达式。
解 通过小线圈的磁通量为
由法拉第电磁感应定律有
8-4 如图8.4所示,矩形线圈ABCD放在的均匀磁场中,磁场方向与线圈平面的法线方向之间的夹角为,长为的AB边可左右滑动。若令AB边以速率向右运动,试求线圈中感应电动势的大小及感应电流的方向。
解 利用动生电动势公式
感应电流的方向从.
8-5 如图8.5所示,两段导体AB与CD的长度均为,它们在B处相接成角;磁场方向垂直于纸面向里,其大小为。若使导体在均匀磁场中以速率运动,方向与AB段平行,试问AC间的电势差是多少? 哪一端的电势高?
解 导体AB段与运动方向平行,不切割磁场线,没有电动势产生。BC段产生的动生电动势为
AC间的电势差是
C端的电势高。
8-6 长为的一金属棒ab,水平放置在均匀磁场中,如图8.6所示,金属棒可绕O点在水平面内以角速度旋转,O点离a端的距离为。试求a,b两端的电势差,并指出哪端电势高(设k2)
解 建立如图8.6所示的坐标系,在Ob棒上任一位置x处取一微元,该微元产生的动生电动势为
Ob棒产生的动生电动势为
同理,Oa棒产生的动生电动势为
金属棒a,b两端的电电势差
因k2,所以a端电势高。
8-7 如图8.7所示,真空中一载有稳恒电流I的无限长直导线旁有一半圆形导线回路,其半径为,回路平面与长直导线垂直,且半圆形直径的延长线与长直导线相交,导线与圆心O之间距离为,无限长直导线的电流方向垂直纸面向内,当回路以速度垂直纸面向外运动时,求:
(1)回路中感应电动势的大小;
(2)半圆弧导线中感应电动势的大小。
解 (1) 由于无限长直导线所产生的磁场方向与半圆形导线所在平面平行,因此当导线回路运动时,通过它的磁通量不随时间改变,导线回路中感应电动势。
(2)半圆形导线中的感应电动势与直导线中的感应电动势大小相等,方向相反,所以可由直导线计算感应电动势的大小
选取x轴如图8.7所示,在x处取线元dx,dx中产生感应电动势大小为
其中
导线及圆弧产生感应电动势的大小均为
8-8 在半径的圆柱体内有均匀磁场,其方向与圆柱体的轴线平行,且,圆柱体外无磁场,试求离开中心O的距离分别为与各点的感生电场的场强。
解 变化的磁场产生感生电场线是以圆柱轴线为圆心的一系列同心圆,因此有
而
当时,
所以时,;时,。
当时
所以时, ;时
8-9 如图8.8所示,磁感应强度为的均匀磁场充满在半径为的圆柱体内,有一长为的金属棒放在该磁场中,如果B以速率变化,试证:由变化磁场所产生并作用于棒两端的电动势等于
证明
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