变化的电磁场优秀PPT.ppt

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1、变化的电磁场第1页，本讲稿共68页 法拉第法拉第（Michael Faraday,1791-1867），伟大的英国物理学家和），伟大的英国物理学家和化学家化学家.他创造性地提出场的思想，磁场这一名他创造性地提出场的思想，磁场这一名称是法拉第最早引入的。称是法拉第最早引入的。电磁理论的创始人之一电磁理论的创始人之一.于于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：后又相继发现：电解定律电解定律物质的抗磁性和顺磁性物质的抗磁性和顺磁性光的偏振面在磁场中的旋转光的偏振面在磁场中的旋转16.1 电磁感应定律电磁感应定律第2页，本讲稿共68页一、电磁感应现象一、电磁感应现象第3页，本讲稿共

2、68页 当穿过闭合回路所围面当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，且路中会产生感应电动势，且感应电动势正比于磁通量对感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。时间变化率的负值。二、电磁感应定律二、电磁感应定律第4页，本讲稿共68页若回路线圈有若回路线圈有N匝，则由于串联关系匝，则由于串联关系磁通链磁通链设线圈电阻为设线圈电阻为R一般情况：一般情况：在在t1到到t2时间内流过的电量：时间内流过的电量：第5页，本讲稿共68页约定：先规定回路正方向，从而得到磁通量，再求约定：先规定回路正方向，从而得到磁通量，再求感应电动势。若为正，则与规定的回路方

3、向相同。感应电动势。若为正，则与规定的回路方向相同。若为负，则其方向与假设方向相反。若为负，则其方向与假设方向相反。第6页，本讲稿共68页 三、楞次定则三、楞次定则楞次定则：楞次定则：感应电动势产生感应电动势产生的感应电流的方向总是使感的感应电流的方向总是使感应电流的磁场通过回路的磁应电流的磁场通过回路的磁通量阻碍原磁通量的变化。通量阻碍原磁通量的变化。第7页，本讲稿共68页电磁感应电磁感应a电磁感应实验电磁感应实验a第8页，本讲稿共68页+OP动生电动势的非静电力场来源动生电动势的非静电力场来源 洛伦兹力洛伦兹力-+平衡时平衡时16.2 动生电动势动生电动势一、洛伦兹力产生动生电动势一、洛伦

4、兹力产生动生电动势对于导线回路对于导线回路第9页，本讲稿共68页证明：如图证明：如图时间内时间内扫过面积扫过面积？试证明：在稳恒磁场中，动生电动势试证明：在稳恒磁场中，动生电动势左、右底面和侧面构成闭合曲面左、右底面和侧面构成闭合曲面 S！第10页，本讲稿共68页？第11页，本讲稿共68页非闭合回路：非闭合回路：dt 时间内扫过时间内扫过面积的磁通量面积的磁通量动生电动势的演示动生电动势的演示第12页，本讲稿共68页二、动生电动势过程中的能量转化二、动生电动势过程中的能量转化设均匀磁场设均匀磁场以恒定外力向右拉杆以恒定外力向右拉杆外力做正功输入机械能，安培力做负功吸收它，同时感应外力做正功输入

5、机械能，安培力做负功吸收它，同时感应电动势在回路中做正功又以电能形式输出这个份额的能量。电动势在回路中做正功又以电能形式输出这个份额的能量。洛伦兹力的作用并不提供能量，而只是传递能量。洛伦兹力的作用并不提供能量，而只是传递能量。第13页，本讲稿共68页三、动生电动势的计算三、动生电动势的计算动生电动势的求解可以采用两种方法：一是动生电动势的求解可以采用两种方法：一是利用利用“动生电动势动生电动势”的公式来计算。的公式来计算。二是设法构成一种合理的闭合回路以便于应用二是设法构成一种合理的闭合回路以便于应用“法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律”求解。求解。或或mddte=-第14页，本讲稿共68

6、页例例16-1一长直导线中通电流一长直导线中通电流I，有一长为，有一长为l 的金属棒与导线的金属棒与导线垂直共面。当棒以速度垂直共面。当棒以速度v 平行于长直导线匀速运动时，求棒平行于长直导线匀速运动时，求棒产生的动生电动势。产生的动生电动势。解：解：IavABdxx第15页，本讲稿共68页 oaldl例例16-2一根长为一根长为L的铜棒，在均匀磁场的铜棒，在均匀磁场B中以角速度中以角速度 在在与磁场方向垂直的平面上作匀速转动。求棒的两端之与磁场方向垂直的平面上作匀速转动。求棒的两端之间的感应电动势大小。间的感应电动势大小。解：解：动生电动势方向：动生电动势方向：ao方法一方法一第16页，本讲

7、稿共68页方法二S L 第17页，本讲稿共68页16.3 感生电动势感应电场感生电动势感应电场一、一、感生电动势感生电动势当线圈不动时，由于磁场随时间的变化而产生感生电动当线圈不动时，由于磁场随时间的变化而产生感生电动势势我们知道：与电动势相对应我们知道：与电动势相对应必然存在着非静电力场（具必然存在着非静电力场（具有电场的性质）有电场的性质）感应电场感应电场第18页，本讲稿共68页当空间的磁场分布随时间发生变化时，会在空间激发一种当空间的磁场分布随时间发生变化时，会在空间激发一种感应电场感应电场，满足：，满足：S是以是以l为边界的任意曲面，方向满足右手规则。为边界的任意曲面，方向满足右手规则

8、。1861年，麦克斯韦提出了感应电场的假设年，麦克斯韦提出了感应电场的假设导体中感应电流的产生就是这一电场作用于导体中的导体中感应电流的产生就是这一电场作用于导体中的自由电子的结果。自由电子的结果。第19页，本讲稿共68页当一段导体（当一段导体（ab）处于感应电场中时，自由电子将受到）处于感应电场中时，自由电子将受到非静电力非静电力当导体为一闭合回路（当导体为一闭合回路（l）时：）时：第20页，本讲稿共68页当导体为一闭合回路（当导体为一闭合回路（l）时：）时：按按 Maxwell 假设假设与与 Faraday 电磁感应定律相符合电磁感应定律相符合第21页，本讲稿共68页按按 Maxwell

9、假设假设与与 Faraday 电磁感应定律相符合电磁感应定律相符合计算感生电动势的方法：计算感生电动势的方法：（1）感应电场）感应电场 感生电动势感生电动势（2）Faraday 电磁感应定律电磁感应定律 感生电动势感生电动势第22页，本讲稿共68页 感应电场是非保守场感应电场是非保守场二、感应电场和静电场的对比二、感应电场和静电场的对比 静电场由电荷产生；感应电场是由变化的磁场产生静电场由电荷产生；感应电场是由变化的磁场产生。静电场是保守场静电场是保守场静电场为有源场！静电场为有源场！感应电场为无源场！感应电场为无源场！和和 均对电荷有力的作用。均对电荷有力的作用。静电场静电场感应电场感应电场

10、第23页，本讲稿共68页感应电场与磁场涡旋性质相似！感应电场与磁场涡旋性质相似！IrBIiEriErtB 第24页，本讲稿共68页三、三、感应涡电流感应涡电流 趋肤效应趋肤效应 感应电流不仅能感应电流不仅能在导电回路内出现，在导电回路内出现，而且当而且当大块导体大块导体与磁与磁场有相对运动或处在场有相对运动或处在变化的磁场中时，在变化的磁场中时，在这块导体中也会激起这块导体中也会激起感应电流感应电流.这种在大块这种在大块导体内流动的感应电导体内流动的感应电流流,叫做叫做涡电流涡电流,简称简称涡流。涡流。应用应用 热效应、电磁阻尼效应。热效应、电磁阻尼效应。第25页，本讲稿共68页涡流涡流电磁灶

11、电磁灶第26页，本讲稿共68页趋肤效应（对于高频电流）趋肤效应（对于高频电流）o有效截面有效截面改善方法：改善方法：（2）分束法，增加导线表面积）分束法，增加导线表面积（1）表面镀银以减小电阻）表面镀银以减小电阻（3）挖空中心，节省材料）挖空中心，节省材料第27页，本讲稿共68页四、感生电动势的计算四、感生电动势的计算2.感应电场具有较高对称性才可能给出解析式感应电场具有较高对称性才可能给出解析式磁场（磁场（磁场随时间变化磁场随时间变化）具柱对称性）具柱对称性 1.原则原则如：空间均匀的磁场被限制在圆柱体内，磁感强度方向如：空间均匀的磁场被限制在圆柱体内，磁感强度方向平行柱轴（平行柱轴（长直螺

12、线管内部的场长直螺线管内部的场）。）。感应电场为柱对称分布感应电场为柱对称分布!第28页，本讲稿共68页解：解：构成闭合曲面构成闭合曲面对于矩形闭合回路对于矩形闭合回路 abcd例例16-3 计算具有轴对称变化磁场产生的感应电场。计算具有轴对称变化磁场产生的感应电场。zoabcdzSl第29页，本讲稿共68页第30页，本讲稿共68页例例16-4 讨论电子感应加速器中磁场如何分布才能使电子讨论电子感应加速器中磁场如何分布才能使电子在被加速的同时不改变其轨道。在被加速的同时不改变其轨道。r解：解：第31页，本讲稿共68页回旋加速器回旋加速器第32页，本讲稿共68页解法一解法一例例16-5 如图：已

13、知如图：已知R，B=B0 t，金属棒，金属棒AB长长R，求棒上的感生电动势求棒上的感生电动势 。解法二解法二ABORRABiEr第33页，本讲稿共68页例例16-6 如图均匀变化磁场如图均匀变化磁场B，导体，导体AB=2R，CD=2R问：问：是否为零？是否为零？解：解：第34页，本讲稿共68页穿过闭合电流回路的磁通量穿过闭合电流回路的磁通量自感自感 若线圈有若线圈有 N 匝匝自感自感 磁通链磁通链 无铁磁质时无铁磁质时,自感仅与线圈形状、磁介质及自感仅与线圈形状、磁介质及 N 有关有关注意注意16.4 自感和互感自感和互感一、一、自感自感第35页，本讲稿共68页若若L不变不变电磁惯性电磁惯性自

14、感电动势阻碍电流的变化自感电动势阻碍电流的变化单位：单位：1 亨利亨利（H）=1 韦伯韦伯/安培安培（1 Wb/A）第36页，本讲稿共68页第37页，本讲稿共68页 在在 电流回路电流回路 中所产生的磁通链中所产生的磁通链 互感仅与两个线圈形状、大小、匝数、互感仅与两个线圈形状、大小、匝数、相对位置以及周围的磁介质有关（无铁磁质相对位置以及周围的磁介质有关（无铁磁质时为常量）时为常量）注意注意互感系数互感系数（理论可证明）（理论可证明）二、二、互感互感应互感互感应 在在 电流回电流回路中所产生的磁通链路中所产生的磁通链第38页，本讲稿共68页互感电动势互感电动势 若若第39页，本讲稿共68页问

15、：下列几种情况互感是否变化？问：下列几种情况互感是否变化？1）线框平行直导线移动；）线框平行直导线移动；2）线框垂直于直导线移动；）线框垂直于直导线移动；3）线框绕）线框绕 OC 轴转动；轴转动；4）直导线中电流变化）直导线中电流变化.OC第40页，本讲稿共68页 例例16-7 均匀长螺线管均匀长螺线管S,l 外共轴地密绕两线圈，外共轴地密绕两线圈，匝数分别为匝数分别为N1、N2，求自感和互感。，求自感和互感。解：解：lS第41页，本讲稿共68页定义耦合系数：定义耦合系数：一般情况下：一般情况下：无漏磁时：无漏磁时：I1I2 2第42页，本讲稿共68页Ix0ab解：解：（1）以顺时针方向为正）

16、以顺时针方向为正例例16-8 如图，已知如图，已知（1）回路在）回路在 处以处以v向右运动，求向右运动，求 （2）回路静止于）回路静止于 处，处，求求（3）回路在）回路在 处以处以v向右运动，向右运动，求，求x0 x0 x0第43页，本讲稿共68页（2）（3）Ix0ab第44页，本讲稿共68页 例例16-9 两同心共面导体圆环，半径两同心共面导体圆环，半径 k为正的常数。求变化磁场在大圆环内激发的为正的常数。求变化磁场在大圆环内激发的感生电动势。感生电动势。解：解：I1r2r第45页，本讲稿共68页16.5 电容和电感电路中的暂态电流电容和电感电路中的暂态电流一、一、LR 电路电路接通滋长过程

17、接通滋长过程e eLRe1k2kLI I第46页，本讲稿共68页0tI不接通不接通 断开断开衰减过程衰减过程接通接通 断开断开很大很大时间常数时间常数第47页，本讲稿共68页二、二、RC 电路电路k1接通，充电过程接通，充电过程tq第48页，本讲稿共68页k2接通，放电过程接通，放电过程qtCRe1k2k+-qI-qI第49页，本讲稿共68页16.6 磁场能量磁场能量一、自感磁能一、自感磁能回路方程回路方程过程中过程中电源作的功转变为线圈的自感磁能。电源作的功转变为线圈的自感磁能。回路电回路电阻所放阻所放出的焦出的焦耳热耳热电电源源作作功功电源反电源反抗自感抗自感电动势电动势作的功作的功第50

18、页，本讲稿共68页以密绕长直螺线管为例以密绕长直螺线管为例H:磁场强度磁场强度磁场能量密度磁场能量密度第51页，本讲稿共68页二、互感磁能二、互感磁能先先 1 通，通，2开开后后 2 通通但改变线圈但改变线圈 1中电阻，保持中电阻，保持 不变。不变。设有线圈设有线圈 1、2 求总磁能。求总磁能。已知已知第52页，本讲稿共68页反向。反向。与与只有线圈只有线圈 2 在线圈在线圈 1 中产生互感电动势中产生互感电动势反抗互感电动势作功。反抗互感电动势作功。e1I11I22e21L2LM第53页，本讲稿共68页例例16-10 如图同轴电缆，已知如图同轴电缆，已知求磁场能量及自感。求磁场能量及自感。解

19、：解：II第54页，本讲稿共68页16.7 位移电流位移电流问题的提出：问题的提出：变化的磁场可以产生电场，那么变化的电场会变化的磁场可以产生电场，那么变化的电场会不会不会也产生磁场呢？也产生磁场呢？考虑某一问题的逆问题，有时会取得意想不到的考虑某一问题的逆问题，有时会取得意想不到的结果。结果。第55页，本讲稿共68页一、位移电流假设一、位移电流假设对于稳恒电流对于稳恒电流非稳恒电流非稳恒电流第56页，本讲稿共68页构成闭合曲面构成闭合曲面根据电荷守恒定律根据电荷守恒定律第57页，本讲稿共68页位移电流密度：位移电流密度：位移电流：位移电流：二、全电流定律二、全电流定律充电充电+-+-放电放电

20、第58页，本讲稿共68页：运流电流：运流电流位移电流与传导电流大小相同，方向一致。位移电流与传导电流大小相同，方向一致。结论：全电流在空间连续不中断。结论：全电流在空间连续不中断。全电流全电流在传导电流中断的地方必有等量的位移电流接替在传导电流中断的地方必有等量的位移电流接替它，而在位移电流中断的地方必有等量的传导电它，而在位移电流中断的地方必有等量的传导电流接替它。流接替它。第59页，本讲稿共68页若若 I=0对比对比全电流定律全电流定律再来处理前面的问题无矛盾！再来处理前面的问题无矛盾！第60页，本讲稿共68页 麦克斯韦麦克斯韦（1831-1879）英国）英国物理学家物理学家.经典电磁理论

21、的奠基人经典电磁理论的奠基人,气体动气体动理论创始人之一理论创始人之一.他提出了有旋场和位移电流的概念他提出了有旋场和位移电流的概念,建立了经典电磁理论建立了经典电磁理论,并预言了以并预言了以光速传播的电磁波的存在光速传播的电磁波的存在 .在气体动理论方面在气体动理论方面,他还提出了他还提出了气体分子按速率分布的统计规律气体分子按速率分布的统计规律.第61页，本讲稿共68页三、位移电流性质三、位移电流性质1、只要电场随时间变化，就有相应的位移电流、只要电场随时间变化，就有相应的位移电流 位移电流的本质是变化的电场位移电流的本质是变化的电场2、位移电流与传导电流是完全不同的概念，仅在产生、位移电

22、流与传导电流是完全不同的概念，仅在产生磁场方面二者等价磁场方面二者等价 I 有电荷流动，通过导体会产生焦耳热有电荷流动，通过导体会产生焦耳热 Id无电荷流动。高频时介质也发热，那是分无电荷流动。高频时介质也发热，那是分子反复极化造成的子反复极化造成的第62页，本讲稿共68页解：解：例例16-11 圆形平行板电容器，间距远小于半径，用圆形平行板电容器，间距远小于半径，用缓变电流缓变电流 对其充电，求磁场分布。对其充电，求磁场分布。取不同曲面无矛盾！取不同曲面无矛盾！第63页，本讲稿共68页例例16-12 各向同性均匀无限大介质，已知介电常数及各向同性均匀无限大介质，已知介电常数及电导率为电导率为 。内有半径为。内有半径为 a 的导体球，的导体球，t=0，带电，带电 Q，求，求 H。解：设解：设a第64页，本讲稿共68页第65页，本讲稿共68页16.8 麦克斯韦电磁场方程组麦克斯韦电磁场方程组 对各向同性介质，各量间的关系为：对各向同性介质，各量间的关系为：第66页，本讲稿共68页当当静电场和稳恒磁场方程！静电场和稳恒磁场方程！第67页，本讲稿共68页当当这组方程真正反映了电与磁是相互激发、相互依这组方程真正反映了电与磁是相互激发、相互依赖的不可分割的统一的整体，即电磁场。赖的不可分割的统一的整体，即电磁场。第68页，本讲稿共68页