题目内容

3.图1是交流发电机模型示意图.在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO′转动,由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO′转动的金属圆环相连接,金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触,这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路.图2是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示.已知ab长度为L1,bc长度为L2,线圈以恒定角速度ω逆时针转动.(只考虑单匝线圈)
(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式;
(2)若线圈电阻为r,求从中性面开始的$\frac{T}{4}$内通过电阻的电量q的大小;(其它电阻均不计)
(3)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热Q.(其它电阻均不计)

分析 (1)矩形线圈abcd转动过程中,只有ab和cd切割磁感线,先求出转动线速度,根据E=BLv,求出导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势,从而写出瞬时表达式;
(2)根据E=$\frac{△∅}{△t}$求得平均感应电动势,有q=$\frac{E}{R+r}$•△t求得从中性面开始的$\frac{T}{4}$内通过电阻的电量q的大小;
(3)先求出平均电动势,根据欧姆定律求出平均电流,根据Q=I2RT即可求解.

解答 解:(1)矩形线圈abcd转动过程中,只有ab和cd切割磁感线,设ab和cd的转动速度为v,则v=ω•$\frac{{L}_{2}}{2}$
在t时刻,导线ab和cd因切割磁感线而产生的感应电动势均为E1=BL1vy
由图可知vy=vsinωt
则整个线圈的感应电动势为e1=2E1=BL1L2ωsinωt

(2)在从中性面开始的四分之一的周期内,由$q=\overline{I}△t$
$\overline{I}=\frac{\overline{E}}{R+r}$,
$\overline{E}=\frac{△∅}{△t}$,
△∅=∅2-∅1=0-BL1L2
解得:$q=-\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R+r}$,所以电荷量的大小为$\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R+r}$
(3)由闭合电路欧姆定律可知
I=$\frac{E}{R+r}$
E=$\frac{{E}_{m}}{\sqrt{2}}=\frac{B{L}_{1}{L}_{2}ω}{\sqrt{2}}$
则线圈转动一周在R上产生的焦耳热为
QR=I2RT
其中T=$\frac{2π}{ω}$
于是$Q=πRω(\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R+r})^{2}$
答:(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式为e1=2E1=BL1L2ωsinωt;
(2)若线圈电阻为r,求从中性面开始的$\frac{T}{4}$内通过电阻的电量q的大小为$\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R+r}$;
(3)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热Q为$πRω(\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R+r})^{2}$

点评 当线圈与磁场相平行时,即线圈边框正好垂直切割磁感线,此时产生的感应电动势最大.求电荷量时,运用交流电的平均值,求产生的热能时,用交流电的有效值.

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