第十章 电磁感应 电磁场-精品文档资料整理.ppt
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1、1英国物理学家和化学家,英国物理学家和化学家,电磁理论的创始人之一电磁理论的创始人之一. .他创造性地提出场的思想,他创造性地提出场的思想,最早引入磁场这一名称最早引入磁场这一名称. . 1831年发现电磁感应现象,年发现电磁感应现象,后又相继发现电解定律,后又相继发现电解定律,物质的抗磁性和顺磁性,物质的抗磁性和顺磁性,及光的偏振面在磁场中的及光的偏振面在磁场中的旋转旋转. .法拉第法拉第(Michael Faraday, 17911867)2电磁感应现象电磁感应现象10.1 10.1 电磁感应定律电磁感应定律3 当穿过闭合回路所围当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,面积的磁通量发生变
2、化时,回路中会产生感应电动势,回路中会产生感应电动势,且感应电动势正比于磁通且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值量对时间变化率的负值.10.1.1 电磁感应定律电磁感应定律tkddiE国际单位制国际单位制1k韦伯韦伯iE伏特伏特4(1)闭合回路由闭合回路由 N 匝密绕线圈组成匝密绕线圈组成 N磁通匝数(磁链)磁通匝数(磁链)tddiE(2)若闭合回路的电阻为若闭合回路的电阻为 R ,感应电流为,感应电流为tRIdd1i21dtttIq)(1d12121RR5 感应电动势的方向感应电动势的方向tddiE0ddt0iEiE与回路取向相与回路取向相反反0( 与回路成与回路成右右螺旋)螺旋)BN
3、SB6NSBv10.1.2 楞次定律楞次定律 闭合的导线回闭合的导线回路中所出现的感应路中所出现的感应电流,总是使它自电流,总是使它自己所激发的磁场反己所激发的磁场反抗任何引发电磁感抗任何引发电磁感应的原因(反抗相应的原因(反抗相对运动、磁场变化对运动、磁场变化或线圈变形等)或线圈变形等).F7NBSv用楞次定律判断感应电流方向IvBNSI8B viI 楞次定律楞次定律 闭合的导线回路中所出现的闭合的导线回路中所出现的感应电流,总是使它自己所激发的磁场反抗感应电流,总是使它自己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因任何引发电磁感应的原因.mF9 楞次定律是能量守恒定律的一种表现楞次定律是能量守
4、恒定律的一种表现 维持滑杆运维持滑杆运动必须外加一力,动必须外加一力,此过程为外力克此过程为外力克服安培力做功转服安培力做功转化为焦耳热化为焦耳热.机械能机械能焦耳热焦耳热B viImF10例例1 如下图所示,在一长直导线如下图所示,在一长直导线L中通有稳定电流中通有稳定电流I,ABCD为一矩形导体线框,在下列哪种情况下线框中为一矩形导体线框,在下列哪种情况下线框中无感应电流。无感应电流。(A)线框在纸面内向右移动)线框在纸面内向右移动(B)线框在纸面内向左移动)线框在纸面内向左移动(C)线框绕)线框绕AD轴转动轴转动(D)线框绕直导线)线框绕直导线L轴转动轴转动 A DIL B C答案答案:
5、D11RNooiBne 例例2 在匀强磁场在匀强磁场中中, 置有面积为置有面积为 S 的的可绕可绕 轴转动的轴转动的N 匝匝线圈线圈. 若线圈以角速若线圈以角速度度 作匀速转动作匀速转动. 求求线圈中的感应电线圈中的感应电动势动势.12解解设设 时时,0tBne与与 同向同向 , 则则ttNBSNcostNBStsinddE令令NBSmEtsinmEE 则则RNooiBne13tsinmEE tItRisinsinmmE交流电交流电RNooiBne14ILabxdx例例3: 在通有电流为在通有电流为 I = I0 cost 的长直的长直载流导线旁,放置一矩形回路,如图所示,载流导线旁,放置一矩
6、形回路,如图所示,求回路中的感应电动势。求回路中的感应电动势。解:解:xIB20如图所示取一窄带如图所示取一窄带dx,SB ddmBn,1cosxovcosBdS15BdSdmmmdLdxxI20dxxILdad120adaILln20ILabxdxxov16dtdmiln)sin(200adatLIadatLIdtdln2cos00adaILmln201718 (1)稳恒磁场中的导体运动稳恒磁场中的导体运动 , 或者回或者回路面积变化、取向变化等路面积变化、取向变化等 动生电动势动生电动势 (2)导体不动,磁场变化导体不动,磁场变化 感生电动势感生电动势引起磁通量变化的原因引起磁通量变化的原
7、因 tddiE19 电动势电动势+-kEIlEdkEllEdkE 闭合电路的总电动势闭合电路的总电动势 kE: 非静电的电场强度非静电的电场强度.20 vBOP10.2.1 动生电动势动生电动势动生电动势的动生电动势的非非静电力场来源静电力场来源 洛伦兹力洛伦兹力-mF- -+eFBeFv)(m平衡时平衡时kemEeFFBeFEvmkOPlBd)(vOPlEdkiE21BllBlvv0idE设杆长为设杆长为 lOPlBd)(vOPlEdkiE vBOP-mF- -+eF221.确定导体处磁场确定导体处磁场 B ;2.确定确定vB的方向的方向;3.分割导体元分割导体元dl,求导体元上的电动势,求
8、导体元上的电动势id4.由动生电动势定义求解。由动生电动势定义求解。lBvdi)(23例例1:在均匀磁在均匀磁场场 B 中,一长为中,一长为 L 的导体棒绕一的导体棒绕一端端 o 点以角速度点以角速度 转动,求导体转动,求导体棒上的动生电动棒上的动生电动势。势。 oLB解解1:由动生电动:由动生电动势定义计算势定义计算24oBLv 和和 B 的方向的方向: 指向圆心指向圆心分割导体元分割导体元dl,dlv导体元上的电动势为导体元上的电动势为:vBdldil25导体元的速度为导体元的速度为:lv l整个导体棒的整个导体棒的动生电动势为动生电动势为:iiddlvBL0221BL方向指向方向指向 o
9、 点。点。oBLdlvlLBdll026例例2: 在通有电流在通有电流 I 的无限长载流直导的无限长载流直导线旁,距线旁,距 a 垂直放垂直放置一长为置一长为 L 以速度以速度v 向上运动的导体向上运动的导体棒,求导体棒中的棒,求导体棒中的动生电动势。动生电动势。vaLI解解1:由动生电动势定义计算:由动生电动势定义计算27 由于在导体棒由于在导体棒处的磁感应强度分处的磁感应强度分布是非均匀的,导布是非均匀的,导体上各导体元产生体上各导体元产生的动生电动势也是的动生电动势也是不一样的,分割导不一样的,分割导体元体元 dx 。xxBxIB20ovaLIdx导体元处的磁场导体元处的磁场 B 为:为
10、:28导体元所产生的动导体元所产生的动生电动势方向沿生电动势方向沿 x轴负向轴负向,idv和和B的方向的方向:指指向导体向导体vBdx xxBovaLIdx大小为:大小为:29整个导体棒的动生电整个导体棒的动生电动势为动势为:iidLaadxxIv20导体所产生的动生电动势方向沿导体所产生的动生电动势方向沿 x 轴负向。轴负向。aLaIvln20vBdxdi xxBovaLIdx30 在电磁感应在电磁感应现象的实验中现象的实验中,当电键当电键 K 闭合闭合时时,线圈线圈1中要产中要产生感生电流,生感生电流, 19世纪世纪60年代,麦克斯韦提出年代,麦克斯韦提出:在变在变化的磁场周围存在一个变化
11、的电场,化的磁场周围存在一个变化的电场,这个这个电场就是感生电场。电场就是感生电场。此电流产生的原因是什么呢?此电流产生的原因是什么呢?KSLstBlEddddkiE闭合回路中的感生电动势闭合回路中的感生电动势tlELdddkiESsBdSLsBtlEddddkBiE0d/dtB32感生感生电场电场静静电场电场非非保守场保守场保守场保守场由变化的磁场由变化的磁场产生产生由电荷产生由电荷产生0d LlE静0dddktlEL感生电场和静电场的感生电场和静电场的对比对比33例例1: 圆形均匀分布圆形均匀分布的磁场半径为的磁场半径为R,磁,磁场随时间均匀增加,场随时间均匀增加,kdtdB,求空间的,求
12、空间的感生电场的分布情感生电场的分布情况。况。oRB解:解: 由于磁场均匀增加,圆形磁场区域由于磁场均匀增加,圆形磁场区域内、外内、外 E感感 线为一系列同心圆;线为一系列同心圆;34作半径为作半径为 r 的环形路径的环形路径;1. r R 区域区域E感感作半径为作半径为 r 的环形路径的环形路径;oRBrsddtddSBlE感rr36sdSdtdBdlE感22RdtdBrE感同理同理积分面积为回路中积分面积为回路中有磁场存在的面积,有磁场存在的面积,dtdBrRE22感sddtddSBlE感E感感oRBrr137E感感分布曲线分布曲线RE感感rooRBdtdBR23839 当线圈中电流发生当
13、线圈中电流发生变化时,线圈中的磁通变化时,线圈中的磁通量发生变化,在线圈中量发生变化,在线圈中产生自感电动势。产生自感电动势。0dtdI 这是由于线圈中电流变化在线圈周这是由于线圈中电流变化在线圈周围产生一个变化的磁场,变化的磁场周围围产生一个变化的磁场,变化的磁场周围又产生一个感生电场,感生电场作用在导又产生一个感生电场,感生电场作用在导体线圈中的自由电荷上,在线圈中产生自体线圈中的自由电荷上,在线圈中产生自感电动势。感电动势。10.3.1 自感现象自感现象401.磁链数磁链数定义:定义:线圈的匝数与线圈中的磁通量乘积。线圈的匝数与线圈中的磁通量乘积。mN线圈的磁链与线圈中的电流线圈的磁链与
14、线圈中的电流 I 成正比。成正比。I2.自感系数自感系数 L写成等式:写成等式:LISB dN41IL3.定义:定义:自感系数自感系数单位:单位:亨利,亨利,H毫亨,毫亨, mH1H=103mH4.注意注意 自感系数为线圈中磁链与线圈中的自感系数为线圈中磁链与线圈中的电流之比。电流之比。 自感系数与线圈的大小、形状、磁介质、自感系数与线圈的大小、形状、磁介质、线圈密度有关,而与线圈中电流无关。线圈密度有关,而与线圈中电流无关。42由法拉第电磁感应定律可知:由法拉第电磁感应定律可知:dtdNmi而而LI当线圈自感系数不变时,当线圈自感系数不变时,dtdILidtNdm)(dtd自感电动势自感电动
15、势43自感系数的计算自感系数的计算假设线圈中的电流假设线圈中的电流 I ;求线圈中的磁通量求线圈中的磁通量 m ;由定义求出自感系数由定义求出自感系数 L。 例:例:一长直螺线管,一长直螺线管,线圈密度为线圈密度为 n,长度,长度为为 l,横截面积为,横截面积为 S,插有磁导率为插有磁导率为 的磁的磁介质,求线圈的自感介质,求线圈的自感系数系数 L 。lSnIL44InISlnIlSn解:解: 设线圈中通设线圈中通有电流有电流 I ,线圈中,线圈中的磁通量为:的磁通量为:BSm线圈中的自感系数线圈中的自感系数L为:为:ILlnN 其中匝数其中匝数lSnL2则自感系数则自感系数nISINmInI
16、SN45 当一个线当一个线圈中电流发生圈中电流发生变化时在另一变化时在另一个线圈中产生个线圈中产生互感电动势。互感电动势。 这是由于线圈这是由于线圈1中电流变化,在线圈中电流变化,在线圈2周围产生一个变化的磁场,变化的磁场周周围产生一个变化的磁场,变化的磁场周围又产生一个感生电场,感生电场作用在围又产生一个感生电场,感生电场作用在导体线圈导体线圈2中的自由电荷上,在线圈中的自由电荷上,在线圈2中产中产生互感电动势,反之也一样。生互感电动势,反之也一样。1I1N1S12I2N2S210.3.2 互感现象互感现象46线圈线圈 1 在线圈在线圈 2 中中产生的磁链:产生的磁链:21221mN1212
17、1IM定义:定义:线圈线圈 1 对线圈对线圈 2 的互感系数的互感系数M2112121IM212SBdN1I1I1N1S12I2N2S247线圈线圈 2 在线圈在线圈 1 中产生的磁链:中产生的磁链:12112mN21212IM定义:定义:线圈线圈 2 对线圈对线圈 1 的互感系数的互感系数M1221212IMMMM1221两线圈的互感系数相等:两线圈的互感系数相等:121SBdN12N1N22I48注意:注意: 互感系数与两线圈的大小、形状、互感系数与两线圈的大小、形状、磁介质和相对位置有关。磁介质和相对位置有关。dtd2121线圈线圈1电流变化在线圈电流变化在线圈2中产生的互感电动势中产生
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