大學(xué)物理學(xué) 第一卷 經(jīng)典物理基礎(chǔ) 第6版 課件 6 變化的電磁場

CollegePhysics

大學(xué)物理第五節(jié)

位移電流

第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

互感與自感

第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律第六章

變化的電磁場第六節(jié)

麥克斯韋電磁場方程組本章核心內(nèi)容CollegePhysics

大學(xué)物理1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象、描述、規(guī)律應(yīng)用。2.動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢的機(jī)理與計(jì)算。3.位移電流概念的提出、實(shí)質(zhì)與應(yīng)用。4.電磁場性質(zhì)的數(shù)學(xué)歸納。第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律日常生活中有很多年輕人喜歡帶著一個(gè)耳塞邊走邊聽音樂。在通常情況下沒什么問題，如果在雷電天氣人的耳膜可能被打破，受重傷,為什么？電磁感應(yīng)現(xiàn)象第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象1.線圈不動(dòng)，磁場變化2.磁場不變，線圈運(yùn)動(dòng)第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律二、法拉第電磁感應(yīng)定律

數(shù)學(xué)表達(dá)式“”表示感應(yīng)電動(dòng)勢阻礙磁通量的變化國際單位制

通過回路所圍面積的磁通量

發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢

的大小與磁通量對時(shí)間的變化率成正比

第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律用法拉第電磁感應(yīng)定律判斷電動(dòng)勢的方向規(guī)定回路

L的繞向，并用右手螺旋法則規(guī)定其所包圍面積的法線方向當(dāng)

與

夾角小于

時(shí)，

；反之

由

，計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢當(dāng)

時(shí)，表明

與回路

L規(guī)定的方向相同；反之，

與回路

L規(guī)定方向相反L第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律閉合回路中的感應(yīng)電流N匝線圈中的總感應(yīng)電動(dòng)勢

磁通鏈感應(yīng)電流與磁通鏈隨時(shí)間變化率有關(guān)第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律感應(yīng)電流的磁通量感應(yīng)電量只與回路中磁通鏈的變化量有關(guān)感應(yīng)電量t

時(shí)間內(nèi)，通過閉合回路的感應(yīng)電量第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律日常生活中有很多年輕人喜歡帶著一個(gè)耳塞邊走邊聽音樂。在通常情況下沒什么問題，如果在雷電天氣人的耳膜可能被打破，受重傷,為什么？閃電產(chǎn)生雷電流激發(fā)瞬態(tài)電磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢超過人體安全電壓第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律三三、

楞次定律“效果”阻礙“原因”感應(yīng)電流的磁通量原磁通量的變化物理意義：磁鐵無論靠近或遠(yuǎn)離線圈，均受到線圈中感應(yīng)電流激發(fā)磁場的阻力，故移動(dòng)永磁體需外力克服這種阻力做功，其轉(zhuǎn)換為線圈中的電磁能排斥力吸引力

第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律四、法拉第電磁感應(yīng)定律應(yīng)用例1:

無限長載流直導(dǎo)線電流

I=5.0A，矩形線圈共1×103匝，寬

a=10cm、長

l=20cm，以

v=2m·s-1速度向右平動(dòng)，求

d=30cm時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢。

解：對于非勻強(qiáng)磁場用元分析法計(jì)算磁通量

dS的元磁通量第一節(jié)

電磁感應(yīng)定律

通過矩形線框的磁通量

線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢=0.03×10-3V第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

汽車引擎中火花塞點(diǎn)火需要上萬伏高壓，而汽車蓄電池能提供的電壓僅為12V，火花塞又是如何實(shí)現(xiàn)高壓點(diǎn)火的呢？

互感現(xiàn)象第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

1、互感現(xiàn)象（1）線圈

L1電流變化（2）線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢互感電動(dòng)勢一、互感第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

互感系數(shù)

同理

可證

2、互感系數(shù)與互感電動(dòng)勢互感系數(shù)與回路的幾何形狀、相對位置、匝數(shù)及介質(zhì)等有關(guān)，而與線圈電流無關(guān)第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

3、互感系數(shù)的計(jì)算假設(shè)某一線圈的電流

或求另一線圈的磁通鏈

計(jì)算互感系數(shù)，由

第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

例2

關(guān)鍵點(diǎn)：設(shè)電流其中

已知兩線圈半徑,求互感圓線圈解：第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

汽車引擎中火花塞點(diǎn)火需要上萬伏高壓，而汽車蓄電池能提供的電壓僅為12V，火花塞又是如何實(shí)現(xiàn)高壓點(diǎn)火的呢？12V的汽車電池感應(yīng)線圈轉(zhuǎn)換成高壓第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

二、自感閉合開關(guān)

K瞬間，S1立刻正常發(fā)光，S2逐漸亮起來斷開開關(guān)

K，S很快的閃下后再熄滅實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)2第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

自感現(xiàn)象線圈電流

I

變化穿過線圈磁通

變化線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢

自感電動(dòng)勢自感系數(shù)L

自感系數(shù)L與回路形狀，匝數(shù)及磁介質(zhì)有關(guān)，與

I無關(guān)1、自感系數(shù)第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

2、自感電動(dòng)勢第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

2、自感系數(shù)的計(jì)算或假設(shè)回路電流求穿過回路的磁通鏈

計(jì)算自感系數(shù)，由

例3

在長為0.2m、直徑為0.5cm的硬紙筒上，需繞多少匝線圈，才能使繞成的螺線管的自感約為2.0×10-3H？第二節(jié)

電路中的電磁感應(yīng)

假設(shè)線圈通以電流

I，線圈長度為

l螺線管內(nèi)磁場大小B=μ0nIn單位長度的匝數(shù)線圈的磁通鏈Ψ=NBS=μ0N2IS/l

L=Ψ/I=μ0N2S/l=μ0πN2r2/lN=4026匝Ψ解：第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

二、從電源電動(dòng)勢分析動(dòng)生電動(dòng)勢

研究對象？導(dǎo)線

切割磁感應(yīng)線

ab上出現(xiàn)電動(dòng)勢

ab相當(dāng)于電源電子隨棒在磁場中運(yùn)動(dòng)

所受非靜電力是？

對照

一、電源電動(dòng)勢1、電源內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

(1)靜電力阻礙電子運(yùn)動(dòng)

(2)非靜電力推動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)非靜電場強(qiáng)

特例：電路中電池內(nèi)電路發(fā)生了什么物理過程？2、電源電動(dòng)勢第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

(1)非靜電力作功總功

元功等效表示移動(dòng)單位電荷做功反映電源性能

移動(dòng)單位電荷做功

反映電源性能

第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

一、現(xiàn)象切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電動(dòng)勢第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

二、從電源電動(dòng)勢分析動(dòng)生電動(dòng)勢

研究對象？導(dǎo)線

切割磁感應(yīng)線

ab上出現(xiàn)電動(dòng)勢

ab相當(dāng)于電源電子隨棒在磁場中運(yùn)動(dòng)

所受非靜電力是？

對照

第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

三、動(dòng)生電動(dòng)勢的計(jì)算

例4

求金屬棒AB中產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢向解：端電勢高圖中正負(fù)的判斷？

電子棒內(nèi)由ab運(yùn)動(dòng)速度第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

四、動(dòng)生電動(dòng)勢產(chǎn)生過程中的能量轉(zhuǎn)換

1、洛倫茲力在產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢過程中的作用電子隨導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)速度

受洛倫茲力受洛倫茲力實(shí)際電子受洛倫茲力=-evBu+euBv=0

洛倫茲力不做功

方向與

的方向相反ab棒要保持勻速運(yùn)動(dòng)，必受到與

等大、反向的外力！第三節(jié)

動(dòng)生電動(dòng)勢

2、動(dòng)生電動(dòng)勢與外力做功之間的關(guān)系洛倫茲力不做功，能量從何而來？

動(dòng)生電動(dòng)勢做功功率ab受到安培力大小外力做功功率為動(dòng)生電動(dòng)勢提供的電能是由外力做功消耗的機(jī)械能轉(zhuǎn)換來的第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場一臺100MeV的大型電子感應(yīng)加速器可將電子加速到0.999986c，它是如何實(shí)現(xiàn)的呢？第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場一、渦旋電場1、感生電動(dòng)勢產(chǎn)生機(jī)理磁場變化

感生電動(dòng)勢切割磁感應(yīng)線動(dòng)生電動(dòng)勢第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場2、感生電場的非靜電力感生電動(dòng)勢

動(dòng)生電動(dòng)勢非靜電力作功

洛侖茲力感生電場力物理學(xué)家麥克斯韋的假設(shè)：第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場變化的磁場產(chǎn)生電場，稱感生電場.

感生電場力由電源電動(dòng)勢非靜電場強(qiáng)3、感生電場的性質(zhì)

無旋場

渦旋電場感生電場線閉合靜電場感生電場電場線不閉合第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場非靜電力作功

二、感生電動(dòng)勢如何理解變化磁場產(chǎn)生電場感生電場（渦旋電場）

法拉第電磁感應(yīng)定律

由電源電動(dòng)勢意義？第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場靜電場與感生電場都對電荷有作用兩種電場可疊加

意義：變化的磁場可以產(chǎn)生電場電磁場基本方程之一第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場三、渦旋電場的計(jì)算

例5

無限長直載流密繞螺線管（半徑R），求管內(nèi)、外

類比

<0第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場渦旋電場線:與磁場邊緣同心的圓選渦旋電場線作閉合回路管內(nèi)、外感生電場不同第四節(jié)

感生電動(dòng)勢

渦旋電場四、應(yīng)用拓展---電子感應(yīng)加速器

只有1/4周期可以用來加速電子且保持電子在圓軌道上運(yùn)動(dòng)。第五節(jié)

位移電流

變化的磁場激發(fā)電場變化的電場激發(fā)磁場？第五節(jié)

位移電流

一、電流場電解槽中的電流電焊機(jī)電極附近電流接地電流大地中的電流同軸電纜中的漏電電流1、非均勻電流場第五節(jié)

位移電流

如何定量描述電流分布不均勻的電流場呢？引入電流密度矢量

的大?。簡挝粫r(shí)間通過該點(diǎn)附近與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂直的單位面積的電量

方向：正電荷運(yùn)動(dòng)方向，

表示該方向單位矢量（電流密度矢量通量）2、電流密度矢量

第五節(jié)

位移電流

二、電流連續(xù)性方程

恒定電流（恒定電流連續(xù)性）

電荷守恒（理想流體連續(xù)性）

質(zhì)量守恒恒定電流的電流線是連續(xù)的閉合曲線第五節(jié)

位移電流

1、改寫安培環(huán)路定理L(周界)包圍電流三、電容器的充、放電第五節(jié)

位移電流

2、非穩(wěn)恒電流安培環(huán)路定理電流不連續(xù)對比

非穩(wěn)恒電路穩(wěn)恒電路第五節(jié)

位移電流

2、穩(wěn)恒電流的安培環(huán)路定理

以L為周界任意曲面

第五節(jié)

位移電流

3、沿同一L的環(huán)流同一周界,兩種環(huán)流

問題？（2）環(huán)流?面,

環(huán)流?面,

（1）第五節(jié)

位移電流

4、麥克斯韋的工作(1)據(jù)電荷守恒求電流密度矢量通量？

(2)高斯定理求電通量？

含電容器電路

(1)(2)第五節(jié)

位移電流

傳導(dǎo)電流密度矢量位移電流密度矢量全電流連續(xù)

全電流密度矢量

式(1)+式(2)

第五節(jié)

位移電流

變化的電場產(chǎn)生磁場意義？5、推廣安培環(huán)路定理？全電流第五節(jié)

位移電流

例6半徑為

R

的圓形平板真空電容器，兩極板間場強(qiáng)按

振蕩。若電容器內(nèi)的電場在空間均勻分布，且忽略電場邊緣效應(yīng)，求：(1)兩極板間的位移電流；(2)兩極板內(nèi)、外的磁感應(yīng)強(qiáng)度

。解：(1)忽略電場邊緣效應(yīng)，電容器兩極板間場強(qiáng)可視為勻強(qiáng)電場第五節(jié)

位移電流

r≤Rr>R位移電流具有軸對稱性，其所激發(fā)的磁場也具有對稱性，磁感應(yīng)線為一系列以極板中心線為中心的同心圓，其方向沿圓切線方向，取圓形回路L。第六節(jié)

麥克斯韋電磁場方程組

1、實(shí)驗(yàn)定理

2、修改兩個(gè)環(huán)路定理

電場環(huán)路定理

磁場環(huán)路定理第六節(jié)

麥克斯韋電磁場方程組

3、積分