電磁感應(yīng).PPT

1、第10章 電磁感應(yīng)與電磁場 Introduction從穩(wěn)恒場到非穩(wěn)恒場 (1)穩(wěn)恒電場與穩(wěn)恒磁場分別由靜電荷與穩(wěn)恒電流產(chǎn)生。 (2)穩(wěn)恒場特點(diǎn)是:靜電場有源無旋;穩(wěn)恒磁場無源有旋。 1.穩(wěn)恒場: 2.非穩(wěn)恒場: (1)運(yùn)動(dòng)的電荷和變化的電流產(chǎn)生非穩(wěn)恒場。 (2)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的電場仍有源無旋;磁場總是無源有旋。 從非穩(wěn)恒場到交變場 1.有線回路中: （1）變化的磁場產(chǎn)生渦旋電場，變化的電場產(chǎn)生渦旋磁場（例：變壓器）(1)交變電流產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在回路產(chǎn)生交變電動(dòng)勢。 (2)本質(zhì):電生磁，磁生電的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 2.無線空間中: （例：電磁波）(2) 特點(diǎn):相互套鏈，互相激發(fā)，無須回路，空間

2、傳播。 關(guān)鍵詞： 電磁感應(yīng)，電動(dòng)勢，渦旋電場，位移電流。 10.1.1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象10.1 電磁感應(yīng)的基本規(guī)律磁場電流可以產(chǎn)生現(xiàn)象磁鐵與線圈有相對運(yùn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生電流一線圈電流變化，在附近其它線圈中產(chǎn)生電流不論用什么方法，只要使穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，此回路中就會有電流產(chǎn)生。變化磁場在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或感應(yīng)電流的現(xiàn)象-電磁感應(yīng)現(xiàn)象. 結(jié)論?問題導(dǎo)線切割磁力線，在回路中產(chǎn)生電流10.1.2 電動(dòng)勢基本概念： 電動(dòng)勢從能量角度考慮從電動(dòng)勢來源角度考慮非靜電力可來源于：某種機(jī)械力、重力、熱、光、化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)等。水電廠、熱電廠、核電廠、風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池、干電池等。 例：上述之外

3、洛倫茨力、感生電場。反映非靜電力將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的能力。如何度量非靜電力做功本領(lǐng)？感應(yīng)電流起因于感生電動(dòng)勢，電動(dòng)勢方向決定電流方向。定義：電源內(nèi)部抵抗靜電力的非靜電力把單位正電荷由負(fù)極推向正極非靜電力之功。G。Fk Fe +非靜電性場強(qiáng)非靜電力一般情況，電源外部回路可以把非靜電場強(qiáng)及電動(dòng)勢看作閉合的。非靜電場強(qiáng)沿閉合回路可能是突變的或非突變的。10.1.3 法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第的實(shí)驗(yàn)規(guī)律感應(yīng)電動(dòng)勢的大小和通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比.負(fù)號是區(qū)分感生電動(dòng)勢的方向，是楞次定律的數(shù)學(xué)表示說明:(1)定義回路正繞向由此確定回路的正法線方向。(2)國際單位制中,磁通量單位取名韋泊(W

4、b),比例系數(shù)為1.感生電動(dòng)勢及感生電流方向：電動(dòng)勢方向逆于回路正繞向。電動(dòng)勢方向同于回路正繞向。（1）當(dāng)磁場方向與回路正向所確定的正法線方向一致，且穿過回路的磁通量值增加時(shí)，定義：磁通量變化率正負(fù)定義：（2）當(dāng)磁場方向與回路正向所確定的正法線方向相反，且穿過回路的磁通量值增加時(shí)，定義：在無限長直載流導(dǎo)線的磁場中，有一運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體線框，導(dǎo)體線框與載流導(dǎo)線共面,解則有: 0 ，d/dt0 ， 0（選順時(shí)針方向?yàn)檎?例求 線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢(1)選回路正繞向(如順時(shí)針)(2)求d：思考：兩個(gè)d的意義有何不同 ？ 10.2.1 動(dòng)生電動(dòng)勢 在實(shí)驗(yàn)室參照系，磁場不隨時(shí)間變化，而依靠導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)切 割磁場線

5、產(chǎn)生的電動(dòng)勢-動(dòng)生電動(dòng)勢。如何計(jì)算動(dòng)生電動(dòng)勢（1）從非靜電力的角度考慮當(dāng) 時(shí)達(dá)到平衡G fmFeab10. 2 動(dòng)生電動(dòng)勢與感生電動(dòng)勢G abfmFe（2）由法拉第電磁感應(yīng)定律求 電動(dòng)勢正值說明電動(dòng)勢方向從一般情況下動(dòng)生電動(dòng)勢：產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢的非靜電力來源于什么？想象的構(gòu)建一閉合回路(可選順時(shí)針為回路正向） 思考洛論茨力則有: 0 ，d/dt0 ， 0例在勻強(qiáng)磁場 B 中，長 R 的銅棒繞其一端 O 在垂直于 B 的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為 OR求 棒上的電動(dòng)勢解方法一 (動(dòng)生電動(dòng)勢):dl方向方法二(法拉第電磁感應(yīng)定律):在 dt 時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒切割磁場線10.2.3 感生電動(dòng)勢 感生電動(dòng)勢：由于

6、磁場變化在導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢麥克斯韋提出: 不論有無導(dǎo)體或?qū)w回路，變化的磁場都將在其周圍空間產(chǎn)生有旋的感生電場。非靜電力是誰？有旋電場與靜電場的比較相同：對處于其中的電荷施加力的作用不同: 電荷產(chǎn)生與變化磁場產(chǎn)生。感生電場變化磁場產(chǎn)生電場線成閉合圈套于磁感應(yīng)線不依賴導(dǎo)體存在說明BEV（2）感生電場不依賴閉合導(dǎo)線而存在。感生電場是以磁場的變化方向?yàn)檩S的一系列同心圓。（2）感生電場是閉合的（有旋電場）。 感生電場的特點(diǎn)感生電場的方向可依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來確定。即：閉合回路取掉，感應(yīng)電動(dòng)勢及感應(yīng)電流消失，感生電場仍然存在。當(dāng)在感生電場的平面上有閉合導(dǎo)線回路時(shí)，回路中有感生電動(dòng)勢與感生電流。

7、（1）感生電場位于垂直與磁場變化方向的一系列平面上。 感生電場與感生電動(dòng)勢的關(guān)系（1）感生電動(dòng)勢來源于的感生電場。（2）感生電動(dòng)勢的方向與感生電場的方向一致。法拉第電磁感應(yīng)定律 感生電動(dòng)勢的計(jì)算因?yàn)榛芈饭潭ú粍?dòng)，磁通量的變化僅來自磁場的變化 在變化的磁場中，有旋電場強(qiáng)度對任意閉合路徑 L的線積分等于這一閉合路徑所包圍面積上磁通量的變化率。（3）感生電場與感生電動(dòng)勢有如下數(shù)量關(guān)系：感生電場強(qiáng)度感生電動(dòng)勢R例解：取逆時(shí)針為回路正向一半徑為R 的長直螺線管中，內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率 以恒定的速率增加 時(shí)，求管內(nèi)外的感應(yīng)電場。rEVOrR例解一被限制在半徑為 R 的無限長圓柱內(nèi)的均勻磁

8、場 B ， B 均勻增加，B 的方向如圖所示。求 導(dǎo)體棒MN、CD的感生電動(dòng)勢由：方法2：構(gòu)造閉合回路L10.3 自感和互感10.3.1. 自感現(xiàn)象 自感系數(shù) 自感電動(dòng)勢線圈電流變化穿過自身磁通變化在自身線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢當(dāng)1.自感現(xiàn)象2.自感系數(shù) 磁通量的變化來自電流的變化由由與電流 I 成正比一個(gè)線圈電流的變化在自身線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢_ 自感電動(dòng)勢L：自感系數(shù)若回路大小、形狀不變.3.自感電動(dòng)勢(2) L與線圈的形狀、大小、匝數(shù)、以及周圍磁介質(zhì)的分布 情況有關(guān)， 與 I 無關(guān)。(1)自感具有使回路電流保持不變的性質(zhì) 電磁慣性說明 國際單位制中,自感（互感）系數(shù)的單位取名亨利(H)。10.3.2

9、.互感現(xiàn)象 互感系數(shù) 互感電動(dòng)勢線圈 1 中I變化線圈 2 的變化線圈 2 產(chǎn)生電動(dòng)勢線圈 2 中I變化線圈 1 的變化線圈 1 產(chǎn)生電動(dòng)勢由由 互感現(xiàn)象 一個(gè)線圈電流的變化在相臨線圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢 互感電動(dòng)勢 互感系數(shù)可以證明：若兩線圈形狀，大小相對位置不變時(shí) 互感電動(dòng)勢M21：線圈2對線圈1的 互感系數(shù) 。例一無限長導(dǎo)線通有電流 現(xiàn)有一矩形線框與長直導(dǎo)線共面。求 互感系數(shù)和互感電動(dòng)勢解穿過線框的磁通量互感系數(shù)互感電動(dòng)勢10.4 磁能1.磁能的來源當(dāng)K接通時(shí)實(shí)驗(yàn)分析 I當(dāng)K斷開 、接通時(shí)結(jié)論：通有電流的線圈存在能量 磁能 自感為 L 的線圈中通有電流 I 時(shí)所儲存的磁能為電流 I 消失時(shí)自感

10、電動(dòng)勢所做的功 電流 I 消失過程中，自感電動(dòng)勢所做的功(自感磁能公式)(1) 在通電過程中電源做的功自感電動(dòng)勢反抗電流建立的功電阻消耗的焦耳熱(電源的功轉(zhuǎn)化為磁場的能量)(2) 與電容儲能比較自感線圈也是一個(gè)儲能元件，自感系數(shù)反映線圈儲能的本領(lǐng)討論2. 磁場能量密度 以無限長直螺線管為例長直螺線管的自感磁場能量密度的普遍計(jì)算公式(適用于均勻與非均勻磁場)磁場能量密度與電場能量密度公式的比較在有限區(qū)域內(nèi)dVVw 磁場能量公式與電場能量公式具有完全對稱的形式1. 問題的提出對穩(wěn)恒電流對S1面對S2面矛盾穩(wěn)恒磁場的安培環(huán)路定理已不適用于非穩(wěn)恒電流的電路2. 位移電流假設(shè)非穩(wěn)恒電路中，在傳導(dǎo)電流中斷

11、處卻引起了其它變化.10.5 麥克斯韋電磁場理論簡介10.5.1 位移電流對非穩(wěn)恒電流電容器充放電時(shí)極板上電荷量在變化(例)電容器內(nèi)電場或電位移矢量在變化電高斯定理知:電位移通量的變化率等價(jià)于傳導(dǎo)電流強(qiáng)度位移電流實(shí)質(zhì)：電場的變化，電場變等效為一種電流任一時(shí)刻，極板上電荷量恰等于極板間電位移通量.極板間的電位移通量:位移電流 3.全電路安培環(huán)路定律麥克斯韋提出全電流的概念電流在空間永遠(yuǎn)是連續(xù)不中斷的，并且構(gòu)成閉合回路麥克斯韋將安培環(huán)路定理推廣所有電路中:(導(dǎo)線上)(中斷處)結(jié)論: 變化的電場可以產(chǎn)生能夠磁場(1) 位移電流具有磁效應(yīng)與傳導(dǎo)電流相同(2) 位移電流與傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的機(jī)理與存在條件不同

12、 位移電流來源于電場的變化 傳導(dǎo)電流來源于電荷的運(yùn)動(dòng)(3) 位移電流不產(chǎn)生焦耳熱，傳導(dǎo)電流產(chǎn)生焦耳熱說明： 傳導(dǎo)電流只存在于導(dǎo)體或半導(dǎo)體中 位移電流可以存在于真空、介質(zhì)、導(dǎo)體中.10.5.2 麥克斯韋方程組的積分形式 電磁場1. 電場的高斯定理2. 磁場的高斯定理傳導(dǎo)電流、位移電流產(chǎn)生的磁場都是無源場靜電場有旋場3. 電場的環(huán)路定理 法拉第電磁感應(yīng)定律4. 全電流安培環(huán)路定理靜電場是保守場，變化磁場可以激發(fā)渦旋電場傳導(dǎo)電流和變化電場可以激發(fā)渦旋磁場Introductionhistory 從法拉第到麥克斯韋 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)磁生電的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 1864年麥克斯韋提出了位移電流概念，說明了電與磁可以相互激發(fā)，并建立了電磁理論方