3.应用
在含有电动机的电路中不能应用欧姆定律,其原因是电动机转动时切割磁感线,产生了反电动势,加在电动机两端的电压比电源直接加在电动机两端的电压小;如果电动机工作中由于机械阻力过大而停止转动,这时没有了反电动势,电阻很小的线圈就直接连在电源的两端,电流会很大,电动机就有被烧毁的危险.此时要立即切断电源,进行检查.
例题:如图所示,水平金属导轨MN、PQ通过开关S和电源相连,两导轨间距离为L,匀强磁场垂直金属导轨.光滑导体杆ab与导轨接触良好,设电源的电动势为E,磁感应强度为B.当开关闭合后,ab杆所能达到的最大速度为多大?此时的反电动势为多大?
【解析】“反电动势”与安培力是洛伦兹力沿棒方向与垂直棒方向两个分力的宏观体现,共同作用把电能转化成机械能。本题中通过一个动态过程的瞬间讨论电路中能量转化问题,用功率来分析更准确一些。同时说明对于任意时间内,电流克服反电动势做功都等于安培力做功。
从微观的角度分析,为研究方便,假设电路里移动的自由电荷是正电荷。某时刻导体杆ab的速度为v,杆ab中自由电荷的电荷量为q,沿导体棒定向移动的速率为u.
沿棒方向的洛伦兹力f₁=qvB,做负功,阻碍自由电荷的定向移动,自由电荷克服f₁做功的功率为:P₁=qvBu.
垂直棒方向的洛伦兹力f₂=quB,做正功,f₂做正功的功率为:P₂=quBv.可见P₁=P₂,即导体棒中一个自由电荷克服f₁做的功等于f₂做的正功,洛伦兹力做功为零。大量自由电荷沿棒方向上的所受洛伦兹力宏观上表现为产生“反电动势”的“非静电力”,做负功,消耗电源的电能;垂直棒方向的洛伦兹力宏观上表现为安培力,做正功,使机械能增加。电流克服反电动势做的功等于安培力做的功,将电能转化为等量的机械能。