Question

圖甲是高頻焊接的原理示意圖．將半徑r=0.10m的待焊接環形金屬工件放在線圈中，然后在線圈中通以高頻變化的電流，線圈產生垂直于工件平面的勻強磁場，磁場方向垂直線圈平面向里，磁感應強度B隨時間t的變化規律如圖乙所示．工件非焊接部分單位長度上的電阻R=1.0×10^-3Ω?m^-1，焊縫處的接觸電阻為工件非焊接部分電阻的9倍．焊接的縫寬非常小，不計溫度變化對電阻的影響．要求：
（1）在0～2.0×10^-2s和2.0×10^-2s～3.0×10^-2s時間內環形金屬工件中感應電動勢各是多大；
（2）在0～2.0×10^-2s和2.0×10^-2s～3.0×10^-2s時間內環形金屬工件中感應電流的大小，并在圖丙中定量畫出感應電流隨時間變化的i-t圖象（以逆時針方向電流為正）．

Answer 1

【答案】分析：根據法拉第電磁感應定律求出金屬工件中感應電動勢．
由圖乙可知磁感應強度的變化，則可知線圈中磁通量的變化，由法拉第電磁感應定律可知感應電動勢變化情況，由楞次定律可得感應電流的方向，二者結合可得出正確的圖象．
解答：解：（1）根據法拉第電磁感應定律
在0～2.0×10^-2s內的感應電動勢為：E₁=
解得：E₁=3.14V 
在2×10^-2s～3×10^-2s內的感應電動勢為：E₂=
解得：E₂=6.28V 
（2）環形金屬工件電阻為：R=2πrR+9×2πrR=20πrR=6.28×10^-3Ω
根據閉合電路歐姆定律，在0～2.0×10^-2s內的電流為：
I₁==500A（電流方向逆時針） 
在2.0×10^-2s～3.0×10^-2s時間內的電流為：
I₂==1000A（電流方向順時針）
i-t圖象如圖所示．

答：（1）在0～2.0×10^-2s和2.0×10^-2s～3.0×10^-2s時間內環形金屬工件中感應電動勢各是3.14V 和6.28V；
（2）在0～2.0×10^-2s和2.0×10^-2s～3.0×10^-2s時間內環形金屬工件中感應電流的大小分別是500A和1000A．
點評：本題中的感應電動勢為感生電動勢，關鍵是根據楞次定律判斷電流方向，根據法拉第地磁感應定律判斷感應電動勢的大小．