电磁场和麦克斯韦方程组.ppt
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1、P.1/64电磁感应电磁感应 关于电磁场与麦克斯韦方程组18.09.2022第一张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.2/64电磁感应电磁感应 18.09.20228-1 电磁感应基本定律电磁感应基本定律一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律实验一:实验一:当条形磁铁插入或拔出当条形磁铁插入或拔出线圈回路时,在线圈回路线圈回路时,在线圈回路中会产生电流;而当磁铁中会产生电流;而当磁铁与线圈保持相对静止时,与线圈保持相对静止时,回路中不存在电流。回路中不存在电流。第二张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.3/64电磁感应电磁感应
2、18.09.2022 实实验验二二:将将将将闭闭闭闭合合合合回回回回路路路路(abcdabcd)置置置置于于于于恒恒恒恒定定定定磁磁磁磁场场场场中中中中,当当当当导导导导体体体体棒棒棒棒在在在在导导导导体体体体轨轨轨轨道道道道上上上上滑滑滑滑行行行行时时时时,回回回回路路路路内内内内出出出出现现现现了了了了电流。电流。电流。电流。vabcdB第三张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.4/64电磁感应电磁感应 18.09.2022实验三:实验三:以通电线圈代替条形磁铁。以通电线圈代替条形磁铁。1.当载流主当载流主线圈相对于副线线圈相对于副线圈运动时,线圈圈运动时,线圈回路内有电流产回路内
3、有电流产生。生。2.当载流主线圈相对于副线圈静止时,如果改变主线当载流主线圈相对于副线圈静止时,如果改变主线圈的电流,则副线圈回路中也会产生电流。圈的电流,则副线圈回路中也会产生电流。第四张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.5/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 结论:结论:当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,不管这当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,不管这当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,不管这当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,不管这种变化是由什么原因的,回路中有电流产生。这一现象种变化是由什么原因的,回路中有电流产生。这一现象种变化是由什么原因的,回路中有电流产生。这一现象种
4、变化是由什么原因的,回路中有电流产生。这一现象称为称为称为称为电磁感应现象电磁感应现象(electromagnetic induction)。电磁感应现象中产生的电流称为电磁感应现象中产生的电流称为电磁感应现象中产生的电流称为电磁感应现象中产生的电流称为感应电流感应电流(induction current),相应的电动势称为,相应的电动势称为,相应的电动势称为,相应的电动势称为感应电动势感应电动势(induction emf)。第五张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.6/64电磁感应电磁感应 18.09.2022符号法则:符号法则:符号法则:符号法则:1.1.对回路对回路L L任取一
5、绕行方向。任取一绕行方向。2.当回路中的磁感线方向与回路的绕行方向成右手螺旋关系时,磁通量为正(+)(+),反之为负(-)(-)。3.3.回回路路中中的的感感应应电电动动势势方方向向凡凡与与绕绕行行方方向向一一致致时时为为正正(+)(+),反之为负,反之为负(-)(-)。L 的绕行方向L 的绕行方向第六张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.7/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律:当穿过回路所当穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时,回路中包围面积的磁通量发生变化时,回路中产生的感应电动势与穿过回路的磁通量产生的感应电动势与穿过回路的磁通量对时
6、间变化率的负值成正比。对时间变化率的负值成正比。法法拉拉第第(1791-1867),英英国国物物理理学学家家、化化学学家家,著著名名的的自自学学成成才才科科学学家家,生生于于萨萨里里郡郡纽纽因因顿顿一一个个贫贫苦苦铁铁匠匠家家庭庭。他他一一生生献献身身科科学学研研究究,成成果果众众多多,18461846年年荣荣获获伦伦福福德德奖奖章章和和皇家勋章。皇家勋章。反映感应电动势的方向,楞次定律的数学表示第七张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.8/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 感应电动势的方向感应电动势的方向N与回路取向相与回路取向相反反(与回路成与回路成右右螺旋)螺旋)第八张
7、,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.9/64电磁感应电磁感应 18.09.2022N当线圈有当线圈有 N 匝时匝时与回路取向相与回路取向相同同第九张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.10/64电磁感应电磁感应 18.09.2022对对对对N N匝线圈,其总磁通量称全磁通。匝线圈,其总磁通量称全磁通。匝线圈,其总磁通量称全磁通。匝线圈,其总磁通量称全磁通。N称为称为磁通链数磁通链数磁通链数磁通链数。N N匝线圈的总电动势为各匝产生的电动势之和:匝线圈的总电动势为各匝产生的电动势之和:匝线圈的总电动势为各匝产生的电动势之和:匝线圈的总电动势为各匝产生的电动势之和:第十张,PPT共
8、四十三页,创作于2022年6月P.11/64电磁感应电磁感应 18.09.2022在直导体棒匀速向右运动在直导体棒匀速向右运动过程中过程中,如果其外框是如果其外框是:闭合导体回路闭合导体回路 有持续电流有持续电流 导体不闭合导体不闭合 瞬态电流瞬态电流,稳定稳定 无导体无导体 无电流,但有感应电动势无电流,但有感应电动势感应电流感应电流 IB本质本质:磁通磁通量变化引起量变化引起了感应电场了感应电场一定时间内通过回路截面的感应电量一定时间内通过回路截面的感应电量:第十一张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.12/64电磁感应电磁感应 18.09.2022NS二二 楞次定律楞次定律 闭合
9、的导线回路中所闭合的导线回路中所出现的感应电流,总是使出现的感应电流,总是使它自己所激发的磁场反抗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(反抗相对运动、磁场变(反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等)化或线圈变形等).第十二张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.13/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 楞次定律是能量守楞次定律是能量守恒定律的一种表现恒定律的一种表现 维持滑杆运动必须外加一力,此过程为外力克服安维持滑杆运动必须外加一力,此过程为外力克服安培力做功转化为焦耳热培力做功转化为焦耳热.机械能机械能焦耳热焦耳热 楞次定律楞次定律 闭合的导线回路中
10、所出现的感应电流,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任何引发电磁感应的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原因.+第十三张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.14/64电磁感应电磁感应 18.09.2022NSNS用楞次定律判断感应电流方向第十四张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.15/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 例例8-1 在匀强磁场中在匀强磁场中,置有面积为置有面积为 S 的可绕的可绕 轴转动的轴转动的N 匝线圈匝线圈.若线圈以角速度若线圈以角速度 作匀速转动作匀速转动.求求线圈线圈 中的感应电动势中的感应电动势.
11、第十五张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.16/64电磁感应电磁感应 18.09.2022已知已知求求解解设设 时时,与与 同向同向,则则令令则则第十六张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.17/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 可见可见,在匀强磁场中匀速转在匀强磁场中匀速转动的线圈内的感应电电流是时动的线圈内的感应电电流是时间的正弦函数间的正弦函数.这种电流称这种电流称交交流电流电.第十七张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.18/64电磁感应电磁感应 18.09.2022解:解:解:解:建立坐标系建立坐标系建立坐标系建立坐标系OxOx如图如图如图如图 例
12、例8-2.一长直导线通以电流 (I0为常数)。旁边有一个边长分别为l1和l2的矩形线圈abcd与长直电流共面,ab边距长直电流r。求线圈中的感应电动势。dcbaixOxdx第十八张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.19/64电磁感应电磁感应 18.09.2022引起磁通量变化的原因引起磁通量变化的原因 1)稳恒磁场中的导体运动)稳恒磁场中的导体运动,或者回路面积或者回路面积变化、取向变化等变化、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 8-2 动生电动势与感生电动势动生电动势与感生电动势第十九张,PPT共四十三页,创作于202
13、2年6月P.20/64电磁感应电磁感应 18.09.2022+OP设杆长为设杆长为 一一 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-+平衡时平衡时第二十张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.21/64电磁感应电磁感应 18.09.2022说明:说明:说明:说明:动生电动势存在于运动导体上;不动的导体动生电动势存在于运动导体上;不动的导体动生电动势存在于运动导体上;不动的导体动生电动势存在于运动导体上;不动的导体 不产生电动势,是提供电流运行的通路。不产生电动势,是提供电流运行的通路。不产生电动势,是提供电流运行的通路。不产生电动势,是提
14、供电流运行的通路。非回路的导体在磁场中运动,有动生电动势非回路的导体在磁场中运动,有动生电动势非回路的导体在磁场中运动,有动生电动势非回路的导体在磁场中运动,有动生电动势 但没有感应但没有感应但没有感应但没有感应(动生动生动生动生)电流。电流。电流。电流。导线切割磁感线时才产生动生电动势。导线切割磁感线时才产生动生电动势。导线切割磁感线时才产生动生电动势。导线切割磁感线时才产生动生电动势。二、动生电动势的计算二、动生电动势的计算二、动生电动势的计算二、动生电动势的计算1.定义求解:定义求解:2.法拉第电磁感应定律求解:法拉第电磁感应定律求解:若回路不闭合,需增加辅助线使其闭合。计算时只计若回路
15、不闭合,需增加辅助线使其闭合。计算时只计若回路不闭合,需增加辅助线使其闭合。计算时只计若回路不闭合,需增加辅助线使其闭合。计算时只计大小,方向由楞次定律决定。大小,方向由楞次定律决定。大小,方向由楞次定律决定。大小,方向由楞次定律决定。第二十一张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.22/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 例例例例8-3.8-3.一矩形导体线框,宽为一矩形导体线框,宽为l l,与运动导体棒构成闭合与运动导体棒构成闭合回路。如果导体棒以速度回路。如果导体棒以速度v v作匀速直线运动,求回路内的作匀速直线运动,求回路内的感应电动势。感应电动势。解:解:解:解:方法一
16、方法一方法一方法一电动势指向电动势指向 ab b b a av-方法二:方法二:方法二:方法二:电动势指向电动势指向 ab第二十二张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.23/64电磁感应电磁感应 18.09.2022 例例8-4:长L的铜棒OA,绕其固定端O在均匀磁场 中以 逆时针转动,铜棒与 垂直,求 动动。解一:解一:取线元取线元与与 同向同向第二十三张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.24/64电磁感应电磁感应 18.09.2022解二:解二:构成扇形闭合回路构成扇形闭合回路由楞次定律由楞次定律第二十四张,PPT共四十三页,创作于2022年6月P.25/64电磁感应电磁
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