| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
13.1.A |
|
电磁感应
AP 物理 C:电磁学 · 第 13 主题
13.1
磁通量
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
磁通量(magnetic flux)测量多少磁场通过一个表面。对于一个通过一个平坦环的均匀场它是点积 $\Phi_B=\vec{B}\cdot\vec{A}=BA\cos\theta$;一般地它是面积分(surface integral)
面积矢量(area vector)垂直于表面(从一个闭合的向外),而通量的符号来自点积。若 $B$ 变化、面积变化,或环转动,通量就变化——把所有三条路径记在心里,因为每一条都是一个考试问题。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Magnetic flux | 磁通量 | cí tōng liàng |
| surface integral | 面积分 | miàn jī fēn |
| area vector | 面积矢量 | miàn jī shǐ liàng |
13.2
电磁感应
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
13.2.A |
Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism does not expect students to mathematically derive the speed of light in free space from Maxwell's equations. This relationship is included above solely as an indication of the further applications, implications, and connections to physical phenomena that students may study in more advanced physics courses. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个变化的通量感应一个 电动势(emf)——法拉第定律(Faraday's law):
以恒定面积,$\varepsilon=-A\,\dfrac{dB_\perp}{dt}$;以恒定场,$\varepsilon=-B\,\dfrac{dA_\perp}{dt}$。一个 $N$ 匝的线圈使单环 emf 成倍:$|\varepsilon_{\text{sol}}|=N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$。
楞次定律(Lenz's law)是负号:感应电流(induced current)流动以使它自己的磁场反对造成它的通量的变化。把一个磁体推向一个环,环推回;把它拉开,环把它拉进来。用右手定则(right-hand rule)把"反对变化"变成一个电流方向。

一根长度 $L$ 的杆以速率 $v$ 横穿一个场滑动是值得记住的特殊情况——动生电动势(motional emf)$\varepsilon=BLv$。
Worked example. 一根 $0.20\ \text{m}$ 的杆以 $3.0\ \text{m/s}$ 横穿一个 $0.50\ \text{T}$ 的场滑动:$\varepsilon=BLv=0.50(0.20)(3.0)=0.30\ \text{V}$。等价地,若一个单一环的通量在 $0.030\ \text{s}$ 里从 $0.020\ \text{Wb}$ 降到 $0.008\ \text{Wb}$,平均 emf 是 $\varepsilon=\dfrac{0.012}{0.030}=0.40\ \text{V}$。
法拉第定律也是麦克斯韦方程组(Maxwell's equations)的第三个,以一个更深的形式:一个变化的磁通量创造一个环流的电场,$\oint\vec{E}\cdot d\vec{l}=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ ——那个场是把电荷绕环推的东西。麦克斯韦方程组一起预测以 $c=1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ 行进的电磁波(electromagnetic waves)(你应当知道这个联系,但 AP 不会要求你推导它)。

Induce a current by moving a magnet
A changing magnetic flux through a coil induces an EMF (Faraday's law); its direction opposes the change (Lenz's law). Move the magnet faster for a bigger EMF.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| emf | 电动势 | diàn dòng shì |
| Faraday's law | 法拉第定律 | fǎ lā dì dìng lǜ |
| Lenz's law | 楞次定律 | léng cì dìng lǜ |
| induced current | 感应电流 | gǎn yìng diàn liú |
| right-hand rule | 右手定则 | yòu shǒu dìng zé |
| motional emf | 动生电动势 | dòng shēng diàn dòng shì |
| Maxwell's equations | 麦克斯韦方程组 | mài kè sī wéi fāng chéng zǔ |
| electromagnetic waves | 电磁波 | diàn cí bō |
13.3
感应电流与磁力
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
13.3.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一旦一个感应电流流动,外部场对它施加力($\vec{F}=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}$)——而由楞次定律那些力总是抵抗造成感应的运动。只有实际在场里面的环的段感受一个力,它能使一个环加速、旋转,或制动。这是涡电流(eddy currents)制动的起源,而你能对一个移动的环或杆像任何其他力学问题一样应用牛顿第二定律。

经典的设置是一根在由一个电阻连接的导电轨道上滑动的杆:

Worked example (the full chain). 相距 $L=0.20\ \text{m}$、电阻 $R=0.60\ \Omega$ 的轨道坐在一个指入页面的 $0.50\ \text{T}$ 的场里。杆被以恒定的 $3.0\ \text{m/s}$ 推。那么:$\varepsilon=BLv=0.30\ \text{V}$;$I=\varepsilon/R=0.50\ \text{A}$;场以 $F=BIL=0.50(0.50)(0.20)=0.050\ \text{N}$ 推回杆。推力以 $P=Fv=0.15\ \text{W}$ 做功——恰好是电阻里耗散的 $P=I^2R=0.15\ \text{W}$。机械功变成电能:那是一个发电机(generator),而能量守恒。没有推力被释放,杆指数地减慢:$ma=-\dfrac{B^2L^2}{R}v$。
Exam skill. FRQ 走这个确切的链条:通量 $\to$ emf $\to$ 电流 $\to$ 力 $\to$ 牛顿第二定律。分别写每个环节并在最后用楞次定律检查方向。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| eddy currents | 涡电流 | wō diàn liú |
| generator | 发电机 | fā diàn jī |
13.4
电感
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
13.4.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
电感(inductance)是一个导体反对它自己电流变化的倾向:变化的电流改变它自己的通量,它自感一个 emf。由法拉第定律,
一个电感器(inductor)是一个被建来有大电感的电路元件——通常是一个螺线管(solenoid),那里几何给出
$N$ 是总匝数、$A$ 是面积、$\ell$ 是长度,而 $\mu_{\text{core}}$ 是芯的磁导率(magnetic permeability)。(直导线被建模为有零电感。)一个携带电流 $I$ 的电感器在它的磁场里储存能量:
它后来能在一个电阻里耗散或移进一个电容器——能量守恒像往常一样适用。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| inductance | 电感 | diàn gǎn |
| inductor | 电感器 | diàn gǎn qì |
| solenoid | 螺线管 | luó xiàn guǎn |
| magnetic permeability | 磁导率 | cí dǎo lǜ |
13.5
含电阻与电感的电路(LR 电路)
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
13.5.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在一个 RL电路(RL circuit)里,一个电池 $\varepsilon$、电阻 $R$ 和电感器 $L$ 串联的基尔霍夫回路定则给出一个微分方程(differential equation):
时间常数(time constant)$\tau$ 设定节奏:一个 $\tau$ 后一个上升的电流达到约它最终值的 $63\%$(一个衰减的落到 $37\%$);它也是这个变化以初始速率会取的时间。学两个极限——它们回答大多数概念问题:
- 开关刚闭合后($t=0$):电流不能跳跃,所以电感器暂时阻挡它,自感一个与施加的电势差大小相等、方向相反的 emf。
- 很久之后($t\gg\tau$):电流稳定,$dI/dt=0$,而电感器表现为一根普通的导线——与一个电容器恰好相反。

Worked example. $\varepsilon=12\ \text{V}$、$R=6.0\ \Omega$、$L=3.0\ \text{H}$:最终电流 $\varepsilon/R=2.0\ \text{A}$、$\tau=L/R=0.50\ \text{s}$。在 $t=0.50\ \text{s}$ 电流是 $2.0(1-e^{-1})\approx1.3\ \text{A}$。在 $t=0$ 电感器的电势差是完整的 $12\ \text{V}$;随着 $t\to\infty$ 它落到零。电流、电感器电压和储存的能量都在时间上是指数的。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| RL circuit | RL电路 | RL diàn lù |
| differential equation | 微分方程 | wēi fēn fāng chéng |
| time constant | 时间常数 | shí jiān cháng shù |
13.6
含电容与电感的电路(LC 电路)
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
13.6.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个 LC电路(LC circuit)没有电阻,所以什么都不耗散能量:它振荡(oscillates),在电容器的电场和电感器的磁场之间晃动能量。回路定则给出
与一个弹簧上的质量相同的方程——简谐运动(simple harmonic motion),电荷扮演位移的角色而
总能量 $\dfrac{q^2}{2C}+\tfrac12LI^2$ 保持恒定:在最大电荷时全在电容器里,在最大电流时全在电感器里。
Worked example. $L=2.0\ \text{H}$、$C=8.0\ \mu\text{F}$:$\omega=\dfrac{1}{\sqrt{2.0(8.0\times10^{-6})}}=250\ \text{rad/s}$,周期 $T=2\pi/\omega\approx0.025\ \text{s}$。若电容器开始充电到 $12\ \text{V}$,那么 $U=\tfrac12CV^2=5.8\times10^{-4}\ \text{J}$,而最大电流由 $\tfrac12LI_{\max}^2=U$ 得出:$I_{\max}=\sqrt{2U/L}=0.024\ \text{A}$ —— 能量守恒(conservation of energy),不需要微积分。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| LC circuit | LC电路 | LC diàn lù |
| oscillates | 振荡 | zhèn dàng |
| simple harmonic motion | 简谐运动 | jiǎn xié yùn dòng |
| conservation of energy | 能量守恒 | néng liàng shǒu héng |
13.6
考试技巧
- 计算通量 $\Phi_B=\int \vec B\cdot d\vec A$ 并从法拉第定律 $\varepsilon=-\tfrac{d\Phi_B}{dt}$ 得到感应 EMF。
- 用楞次定律(负号)固定方向:感应电流反对通量的变化。
- 通量以三种方式变化——变化的 $B$、变化的面积,或变化的角度——辨别哪种并求导。
- 对于一根长度 $L$ 以速率 $v$ 移动的杆,动生 EMF 是 $BLv$。
- 一个电感器储存能量 $\tfrac12 LI^2$ 并抵抗电流的变化(RL 时间常数 $\tau=L/R$)。
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