第13章电磁感应精.ppt

第13章电磁感应第1页，本讲稿共33页13.1 13.1 电磁感应定律电磁感应定律一、电磁感应现象一、电磁感应现象K K闭合和打开瞬间闭合和打开瞬间,电流计指针偏转电流计指针偏转2 2、G。ababab左右滑动时左右滑动时,电流计指针偏转电流计指针偏转1、G2K1第2页，本讲稿共33页3 3、磁铁插入或抽出时，磁铁插入或抽出时，检流计指针偏转检流计指针偏转磁场变化感应电流感应电流?磁通量变化感应电动势 G第3页，本讲稿共33页&感应电流的方向是这样的，感应电流所感应电流的方向是这样的，感应电流所产生的磁通量总是力图产生的磁通量总是力图反抗或抵消反抗或抵消外磁场外磁场的磁通量的的磁通量的变化变化。二、愣次定律二、愣次定律1.1.楞次定律的宏观表现楞次定律的宏观表现反抗相对运动、反抗磁场变化等。反抗相对运动、反抗磁场变化等。2.2.楞次定律是能量守恒楞次定律是能量守恒在电磁感应现象中的在电磁感应现象中的具体表现。具体表现。G第4页，本讲稿共33页&当穿过闭合回路所围面积的磁通量当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，无论这种变化是什么原发生变化时，无论这种变化是什么原 因引起的，回路中都有感应电动势产生，因引起的，回路中都有感应电动势产生，并且感应电动势正比于磁通量随时间变化并且感应电动势正比于磁通量随时间变化率的负值。率的负值。三、电磁感应定律 规定回路绕行方向与回路法线构成右手规定回路绕行方向与回路法线构成右手螺旋关系，以回路法线方向为磁通量的正螺旋关系，以回路法线方向为磁通量的正方向，则方向，则绕行方向为电动势的正方向绕行方向为电动势的正方向。第5页，本讲稿共33页定律说明定律说明1 1、K K为比例系数，它的取值决定于各量为比例系数，它的取值决定于各量所用的单位。所用的单位。2 2、只适用于单匝线圈回路。、只适用于单匝线圈回路。N N匝线圈：匝线圈：（SISI中中K=1K=1）称为磁链称为磁链 3 3、“”的含的含义义nB第6页，本讲稿共33页例1如图所示，通电长直导线与矩形线圈共面，且与长直导线平行，当长直导线中通有电流 时，求t=0时线圈中感应电动势.解解:在线圈中取面元，该处在线圈中取面元，该处磁感应强度的大小为：磁感应强度的大小为：Iabcrdrro通过矩形线圈的磁通量：通过矩形线圈的磁通量：第7页，本讲稿共33页由法拉第电磁感应定律由法拉第电磁感应定律t=0t=0时，感应电动势的大小为：时，感应电动势的大小为：由楞次定律知感生电动势的方向为逆时针。由楞次定律知感生电动势的方向为逆时针。第8页，本讲稿共33页例例2 长直导线载有稳恒电流长直导线载有稳恒电流 I，在它旁边平行，在它旁边平行 放置一长为放置一长为 L1、宽为、宽为 L2 的矩形线框，线框以的矩形线框，线框以匀速率匀速率 v 垂直导线向右运动。求线框中感应电垂直导线向右运动。求线框中感应电 动势。设动势。设 t=0 时，线框左边与长直导线重合时，线框左边与长直导线重合。IvabdcL2L1xdr解：解：利用法拉第电磁感应定律利用法拉第电磁感应定律第9页，本讲稿共33页感应电动势大小：方向：由楞次定律可方向：由楞次定律可知为顺时针方向知为顺时针方向 a b c d IvabdcL2L1xdr第10页，本讲稿共33页F 电源电动势等于单位正电荷绕闭合回路一电源电动势等于单位正电荷绕闭合回路一周过程中，非静电力所做的功：周过程中，非静电力所做的功：F 对干电池等电源对干电池等电源 ：（非静电力集中于电源：（非静电力集中于电源内部在外电路中无非静电力）内部在外电路中无非静电力）F电源：在稳恒电路中维持恒定电势差的装置电源：在稳恒电路中维持恒定电势差的装置13.2 13.2 电源电源 电动势电动势电源提供非静电力，实现能量转化。电源提供非静电力，实现能量转化。第11页，本讲稿共33页I13.3 13.3 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势1）不随时间变化，而闭合回路的整体或 局部在磁场中运动。-动生电动势2）随时间变化，而回路的任一部分都不 运动。-感生电动势第12页，本讲稿共33页iba一、动生电动势当导线在磁场中沿任意方向运动时，只有垂直当导线在磁场中沿任意方向运动时，只有垂直于磁场的速度分量才能产生动生电动势：于磁场的速度分量才能产生动生电动势：导线垂直于磁场方向运动导线垂直于磁场方向运动第13页，本讲稿共33页规定 为 的正方向在非均匀磁场中：在非均匀磁场中：动生电动势的方向：动生电动势的方向：2）将 在运动的导线上投影。1）找出 的方向第14页，本讲稿共33页例1长度为L的金属棒在匀强磁场B中绕逆时针作转动,角速度为 ,求感应电动势的大小和方向.解：由 确定AO段电动 势方向为沿径向向内取线元取线元dl,方向指向方向指向o o则则dl上的电动势上的电动势 oAvdl 第15页，本讲稿共33页推广：1）法拉第圆盘）法拉第圆盘2）.ABOL1L2第16页，本讲稿共33页例2 长为 L 的金属棒 AB 与一载流长直导线共面且相互垂直，若金属棒在此平面内以速度 v 运动，求金属棒中的动生电动势。IABavOxdx解：解：根据动生电动势的计算公式根据动生电动势的计算公式方向：方向：B A第17页，本讲稿共33页F导体不动导体不动,因磁场变化而产生的电动势：因磁场变化而产生的电动势：二、感生电动势F麦克斯韦假设：麦克斯韦假设：产生感生电动势的原因是由于变化的磁场产生感生电动势的原因是由于变化的磁场激发了感生电场。激发了感生电场。F此式说明变化的磁场激发了感生电场，从此式说明变化的磁场激发了感生电场，从而引起感生电动势。而引起感生电动势。第18页，本讲稿共33页F感生电场与静电场的异同感生电场与静电场的异同1.1.静止电荷产生静电场，静止电荷产生静电场，静电场是保守场。静电场是保守场。2.2.变化的磁场产生感生电场，变化的磁场产生感生电场，感生电场是涡旋场，非保守场。感生电场是涡旋场，非保守场。3.3.静电场和感生电场都具有能静电场和感生电场都具有能 量，都能对场中的电荷施加量，都能对场中的电荷施加 作用力，并且对电荷做功。作用力，并且对电荷做功。F 如果既有静电场，又有感生电场，则总电场如果既有静电场，又有感生电场，则总电场第19页，本讲稿共33页变化的磁场产生电场！变化的磁场产生电场！F感生电动势的计算感生电动势的计算1）由法拉第电磁感应定律计算）由法拉第电磁感应定律计算2）先求感生电场，再）先求感生电场，再由定义计算由定义计算第20页，本讲稿共33页例1半径R的无限长螺线管通有随时间变化的 电 流，方 向 如 图。磁 场 的 变 化 率 ，求管内外的感生电场。解：选顺时针为积分方向与构成右手螺旋关系第21页，本讲稿共33页方向同前方向同前第22页，本讲稿共33页三、涡电流三、涡电流F当大块导体处在变化当大块导体处在变化的磁场中或导体运动的磁场中或导体运动时，在导体中激起的时，在导体中激起的涡旋状的电流。涡旋状的电流。v 热效应：高频热效应：高频 感应炉感应炉F涡流的应用涡流的应用v 磁效应：电磁阻尼磁效应：电磁阻尼F涡流的危害：涡流损耗涡流的危害：涡流损耗第23页，本讲稿共33页12回路1:13.4 13.4 自感和互感自感和互感变化原因回路本身电流变化回路本身电流变化自感自感邻近回路电流变化邻近回路电流变化互感互感第24页，本讲稿共33页一、自感闭合回路L L 称为自感系数，单位亨利称为自感系数，单位亨利自感电动势1 1、L L的意义的意义:在数值上等于回路中的电流在数值上等于回路中的电流随时间的变化率为一个单位时，在回随时间的变化率为一个单位时，在回路中所引起的自感电动势的绝对值。路中所引起的自感电动势的绝对值。2 2、“”号为楞次定律的数学表示号为楞次定律的数学表示,它指它指出出 将反抗回路中电流的改变将反抗回路中电流的改变 第25页，本讲稿共33页例1计算一个螺绕环的自感。设环的截面积为S，轴线半径为R，单位长度上的匝数为n，环中充满相对磁导率为 的磁介质。解解:设螺绕环中通有电流设螺绕环中通有电流 i环内磁感应强度为环内磁感应强度为环内全磁通为环内全磁通为由定义知螺绕环的自感为由定义知螺绕环的自感为第26页，本讲稿共33页二、互感12 M12，M21 称为称为互感系数互感系数，与两回路形状、，与两回路形状、大小、匝数、相对位置及周围介质有关。单大小、匝数、相对位置及周围介质有关。单位为亨利位为亨利 H H。第27页，本讲稿共33页互感电动势2 2）“”号表示在一线圈中激起的号表示在一线圈中激起的 要反抗另一线圈中电流的变化。要反抗另一线圈中电流的变化。1）M是表示互感强弱或两回路耦合程度的物理量,M越大,在另一回路中激起的 越大。第28页，本讲稿共33页IlbaOx解解:1 1）取坐标）取坐标OXOX例2在磁导率为 的均匀无穷大的磁介质中,有一长直导线,与一矩形线框共面,求互感系数.若如图b放置,M又为多少?x处：xdx图a第29页，本讲稿共33页由由M M的定义得：的定义得：Il图b2 2）由磁场的对称性得：）由磁场的对称性得：第30页，本讲稿共33页F 磁场也可储能磁场也可储能F 电场有能量，其能量密度电场有能量，其能量密度dt时间内自感电动势所做元功时间内自感电动势所做元功自感电动势所做总功自感电动势所做总功13.5 13.5 磁场的能量磁场的能量第31页，本讲稿共33页磁场的能量：螺绕环的自感系数：螺绕环的自感系数：磁能密度磁能密度环内磁感应强度为环内磁感应强度为磁能也可以写成磁能也可以写成第32页，本讲稿共33页各向同性介质(2)(2)任何磁场都具有能量任何磁场都具有能量,其能量存在于磁其能量存在于磁场的整个体积之中场的整个体积之中:(1)(1)对任意磁场对任意磁场,上式皆适用。上式皆适用。第33页，本讲稿共33页