如图所示,固定于水平桌面上的金属框架cdef,处在竖直向下的匀强磁场中,金属棒ab搁在框架上,可无摩擦滑动.此时abed构成一个边长为L的正方形,棒的电阻为r,其余部分电阻不

◎ 题目

如图所示,固定于水平桌面上的金属框架cdef,处在竖直向下的匀强磁场中,金属棒ab搁在框架上,可无摩擦滑动.此时abed构成一个边长为L的正方形,棒的电阻为r,其余部分电阻不计.开始时磁感应强度为B0
(1)若保持磁感应强度B0不变,欲使ab在水平外力F作用下向右以v0匀速运动,则F的大小、方向如何?
(2)若从t=0时刻起,磁感应强度均匀增加,每秒增加量为k,同时保持棒静止,求棒中的感应电流大小和方向.
(3)在上述(2)的情况下,棒始终保持静止,当t=t1时,垂直于棒的水平拉力为多大?
(4)若从t=0时刻起,磁感应强度逐渐减小,当棒以恒定速度v向右做匀速运动时,可使棒中不产生感应电流,则磁感应强度怎样随时间变化?(写出B与t的关系式)
魔方格

◎ 答案

(1)对棒受力分析,外力与安培力相平衡,
而安培力的大小为F=BIL
法拉第电磁感应定律,得切割感应电动势为E=BLv0
闭合电路欧姆定律得,I=
E
R+r

由上综合而得,F=
B02L2v0
r

根据右手定则可知,安培力的方向水平向左,因此外力的方向水平向右.   
(2)由题得:磁感应强度B的变化率
△B
△t 
=kT/s,由法拉第电磁感应定律知:
回路中感应电动势  E=
△?
△t
=
△B?S
△t
=kL2
感应电流    I=
kL2
r

根据楞次定律知感应电流方向为逆时针,即由b→a→d→e.
(3)当t=t1时,B=B0+kt1
安培力大小为F=BIL
棒的水平拉力  F=F=
(B0+kt1)kL3
r

(4)为了使棒中不产生感应电流,则回路中总磁通量不变.
t=0时刻,回路中磁通量为B0L2  
设t时刻磁感应强度为B,此时回路中磁通量为BL(L+vt)
应有  BL(L+vt)=B0L2  
则B=
B0L
L+vt

磁感应强度随时间的变化规律是B=
B0L
L+vt
 
答:(1)水平外力F的大小F=
B02L2v0
r
,方向向右;
(2)棒中的感应电流大小为
kL2
r
,感应电流的方向为逆时针;
(3)棒始终保持静止,t=t1秒时需加的垂直于水平拉力为
(B0+kt1)kL3
r

(4)磁感应强度B的表达式为B=
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