第十三章 电磁感应优秀PPT.ppt

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1、第十三章 电磁感应1第一页，本课件共有39页奥斯特奥斯特 电流磁效应电流磁效应磁的电效应？磁的电效应？1831 1831年年,法拉第经过十年不懈的探索从实验法拉第经过十年不懈的探索从实验得出得出:当通过一个闭合回路所包围的面积的磁通当通过一个闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中就产生电流（称为感应量发生变化时，回路中就产生电流（称为感应电流）。电流）。由于由于磁通量的变化而产生电流的现象称为磁通量的变化而产生电流的现象称为电磁感应现象。电磁感应现象。上页上页下页下页退出退出返回返回逆现象逆现象2第二页，本课件共有39页一一.现象现象 变化变化 本质是电动势本质是电动势 electro

2、motive force(emf)electromotive force(emf)左面两种情况均左面两种情况均可使电流计指针可使电流计指针摆动摆动第一类第一类第二类第二类I变化变化 1 1 电磁感应的基本定律电磁感应的基本定律 上页上页下页下页退出退出返回返回3第三页，本课件共有39页二二.法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 Faraday law of Faraday law of 1831 1831年年,法拉第经过十年不懈法拉第经过十年不懈的探索从实验得出的探索从实验得出:不论何种原因使通过回路面积不论何种原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产的磁通量发生变化时，回路中产生的生的

3、感应电动势感应电动势(induction(induction emf)emf)与磁通量对时间的变化率成与磁通量对时间的变化率成正比。正比。式式中中的的负负号号反反映映了了感感应应电电动动势势的的方方向向（由由楞楞次次定定律律确定）。确定）。SI制中表达式为：制中表达式为：上页上页下页下页退出退出返回返回4第四页，本课件共有39页三三.楞次定律楞次定律 Lenz lawLenz law 18331833年楞次（年楞次（H.F.E.Lenz)H.F.E.Lenz)总结实验得出总结实验得出:闭合回路中感应电流的方向，总是企图使感闭合回路中感应电流的方向，总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁

4、通量应电流本身所产生的通过回路面积的磁通量,去去补偿或者反抗引起感应电流的磁通量的变化。补偿或者反抗引起感应电流的磁通量的变化。称为称为楞次定律楞次定律.黑色为黑色为B的方向的方向.红色为红色为B的方向的方向.m 增加时增加时,B与与B反向反向 m 减小时减小时,B与与B同向同向上页上页下页下页退出退出返回返回5第五页，本课件共有39页 楞次定律楞次定律是能量守恒定律在是能量守恒定律在电磁感应现象上的电磁感应现象上的具体体现。具体体现。（3）若若d m0,则则 i 0，表表明明 i的的方方向向与与L的的正正方向相反方向相反；若若d m0，表表明明 i的的方方向向与与L的的正正方向相同方向相同。

5、（2）m的的方方向向与与回回路路L的的正正方方向向成成右右手手螺螺旋旋关关系系时时,m为正，反之为负。为正，反之为负。正方向的约定：正方向的约定：（1）选定回路）选定回路L的正方向。的正方向。上页上页下页下页退出退出返回返回6第六页，本课件共有39页1 1 使用使用意味着约定意味着约定2 2 磁链数磁链数 magnetic flux linkagemagnetic flux linkage讨论讨论则有则有磁链数磁链数对于对于N 匝串联回路匝串联回路 每匝中穿过的磁通分别为每匝中穿过的磁通分别为每匝的磁通相等时每匝的磁通相等时上页上页下页下页退出退出返回返回7第七页，本课件共有39页法拉第抓住感

6、应电动势，比感应电流更本质。法拉第抓住感应电动势，比感应电流更本质。感应电流：感应电流：感应电流的方向始终与感应电动势的方向一致。感应电流的方向始终与感应电动势的方向一致。四四.感应电流感应电流上页上页下页下页退出退出返回返回8第八页，本课件共有39页 把感应电动势分为两种基本形式把感应电动势分为两种基本形式1 1 动生电动势动生电动势 motional emf motional emf：导体运动引起：导体运动引起2 2 感生电动势感生电动势 induced emf induced emf：磁场变化引起：磁场变化引起上页上页下页下页退出退出返回返回9第九页，本课件共有39页2 2 动生电动势动

7、生电动势一一.典型装置典型装置1.1.中学：单位时间内切割磁力线的条数中学：单位时间内切割磁力线的条数由楞次定律定方向由楞次定律定方向均匀磁场均匀磁场导线导线ab在磁场中运动在磁场中运动电动势怎么计算？电动势怎么计算？上页上页下页下页退出退出返回返回10第十页，本课件共有39页2.2.法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律建坐标如图建坐标如图均匀磁场均匀磁场设回路设回路L方向如图方向如图负号说明电动势方向与所设方向相反负号说明电动势方向与所设方向相反上页上页下页下页退出退出返回返回11第十一页，本课件共有39页3.3.由金属电子理论分析由金属电子理论分析平衡时平衡时上页上页下页下页退出退出返回返

8、回形成动生电动势的实质是形成动生电动势的实质是运动电荷受洛伦兹力的结运动电荷受洛伦兹力的结果果12第十二页，本课件共有39页例例1 1：无限长直导线载有无限长直导线载有I I的电流，的电流，旁边有一矩形线圈，若线圈以旁边有一矩形线圈，若线圈以v v速速度向右运动，求线圈中的感应电动度向右运动，求线圈中的感应电动势。势。解：解：解法一：解法一：矩形线框在运动过程中，矩形线框在运动过程中，四段导线都在运动，但只有竖直四段导线都在运动，但只有竖直边切割磁力线，则：边切割磁力线，则：上页上页下页下页退出退出返回返回13第十三页，本课件共有39页解法二：解法二：解法二：解法二：选选L L为回路正方向，则

9、面正法为回路正方向，则面正法线方向垂直纸面进去，磁场方向为垂线方向垂直纸面进去，磁场方向为垂直纸面进去。直纸面进去。取取t=0说明方向沿说明方向沿L L方向方向 0上页上页下页下页退出退出返回返回14第十四页，本课件共有39页 适用于一切产生电动势的回路适用于一切产生电动势的回路讨论讨论 适用于切割磁力线的导体适用于切割磁力线的导体上页上页下页下页退出退出返回返回15第十五页，本课件共有39页线圈匝数为线圈匝数为N，面积为，面积为S。绕绕OO 轴转动。轴转动。通过线圈的磁通量为：通过线圈的磁通量为：由法拉第电磁感应定律，感应电动势为：由法拉第电磁感应定律，感应电动势为：二、磁场中转动线圈的感应

10、电动势和感应电流二、磁场中转动线圈的感应电动势和感应电流 上页上页下页下页退出退出返回返回16第十六页，本课件共有39页电流强度为：电流强度为：交变电流交变电流交变电动势交变电动势上页上页下页下页退出退出返回返回17第十七页，本课件共有39页上页上页下页下页退出退出返回返回交流电的产生交流电的产生18第十八页，本课件共有39页3 3 感生电动势感生电动势 感生电场感生电场 1861年麦克斯韦（年麦克斯韦（1831-1879）大胆假设）大胆假设:“变化的磁场会产生感应电场变化的磁场会产生感应电场”。动生电动势的非静电力是洛仑兹力；动生电动势的非静电力是洛仑兹力；感生电动势的非静电力是感生电场力。

11、感生电动势的非静电力是感生电场力。即即感生电动势等于感应电场场强的环流。感生电动势等于感应电场场强的环流。上页上页下页下页退出退出返回返回19第十九页，本课件共有39页电动势电动势电荷电荷q在含有电源的闭合回路内环绕一周时，在含有电源的闭合回路内环绕一周时，电源中非静电力所作的功：电源中非静电力所作的功：外电路外电路感生电动势为：感生电动势为：上页上页下页下页退出退出返回返回20第二十页，本课件共有39页 是以是以L为边界的任意面积为边界的任意面积S S的磁通量对时间的磁通量对时间的变化率。的变化率。感生电场的环流不等于零，所以又称涡旋电场。感生电场的环流不等于零，所以又称涡旋电场。其方向由楞

12、次定律决定。其方向由楞次定律决定。按照法拉第电磁感应定律按照法拉第电磁感应定律所以有所以有上页上页下页下页退出退出返回返回21第二十一页，本课件共有39页产生根源产生根源电电荷荷变化的磁场变化的磁场环流环流势场：势场：有源无旋场有源无旋场非势场非势场:无源场涡旋场无源场涡旋场通量通量电力线不闭合电力线不闭合电力线闭合电力线闭合感应电场与静电场的比较感应电场与静电场的比较上页上页下页下页退出退出返回返回22第二十二页，本课件共有39页二二.感生电场的计算感生电场的计算1.1.原则原则2.2.特殊特殊空间均匀的磁场被限制在圆柱体内，磁感强度方向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，

13、如长直螺线管内部的场。平行柱轴，如长直螺线管内部的场。磁场随时间变化磁场随时间变化 则则感生电场具有柱对称分布感生电场具有柱对称分布 具有某种具有某种对称性才有可能对称性才有可能计算出来计算出来上页上页下页下页退出退出返回返回23第二十三页，本课件共有39页3.3.特殊情况下感生电场的计算特殊情况下感生电场的计算例例6.6.空间均匀的磁场限制在半径为空间均匀的磁场限制在半径为的圆柱内，的圆柱内，求：求：分布分布解：设场点距轴心为解：设场点距轴心为r,r,根据对称性，取以根据对称性，取以o o为心，过场点的圆周环路为心，过场点的圆周环路0 0由法拉第电由法拉第电磁感应定律磁感应定律的方向平行柱轴

14、的方向平行柱轴且有且有上页上页下页下页退出退出返回返回24第二十四页，本课件共有39页 上页上页下页下页退出退出返回返回25第二十五页，本课件共有39页特殊条件特殊条件感生电场是以法拉第电磁感应定律为基础的，感生电场是以法拉第电磁感应定律为基础的，源于法拉第电磁感应定律又高于法拉第电磁感源于法拉第电磁感应定律又高于法拉第电磁感应定律。只要以应定律。只要以L为边界的曲面内有磁通的变化，为边界的曲面内有磁通的变化，就存在感生电场的。就存在感生电场的。涡电流涡电流 趋肤效应趋肤效应电子感应加速器的基电子感应加速器的基本原理本原理 1947 1947年世界年世界第一台第一台 70MeV 70MeV讨论

15、讨论上页上页下页下页退出退出返回返回26第二十六页，本课件共有39页例例7.7.求半径求半径oa线上的感生电动势线上的感生电动势 可利用这一特点较方便地求其他线段内的感生电动势可利用这一特点较方便地求其他线段内的感生电动势补上半径方向的线段构成回路利用法拉第电磁感应定律补上半径方向的线段构成回路利用法拉第电磁感应定律 例例8 8 求上图中求上图中 线段线段ab内的感生电动势内的感生电动势 解：补上两个半径解：补上两个半径oa和和bo与与ab构成回路构成回路obao上页上页下页下页退出退出返回返回27第二十七页，本课件共有39页求求:解：补上半径解：补上半径 oa bo设回路方向如图设回路方向如

16、图例例9.9.磁力线限制在圆磁力线限制在圆柱体内柱体内,空间均匀空间均匀o oB B上页上页下页下页退出退出返回返回28第二十八页，本课件共有39页4 4 自感现象自感现象实际线路中的感生电动势问题实际线路中的感生电动势问题一一.自感现象自感现象 自感系数自感系数 self-indutance self-indutance反抗电流变化的能力反抗电流变化的能力(电惯性电惯性)线线圈圈 由于自己线路中的电流的变化由于自己线路中的电流的变化 而在自己的而在自己的线路中产生感应电流的现象自感现象线路中产生感应电流的现象自感现象上页上页下页下页退出退出返回返回29第二十九页，本课件共有39页K合上合上

17、灯泡灯泡A先亮先亮B晚亮晚亮K断开断开B会突闪会突闪上页上页下页下页退出退出返回返回30第三十页，本课件共有39页自感系数自感系数的定义的定义单位电流的变化对应的单位电流的变化对应的感应电动势，称为自感感应电动势，称为自感系数系数(自感）自感）由法由法拉第拉第电磁电磁感应感应定律定律上页上页下页下页退出退出返回返回31第三十一页，本课件共有39页例例1010：求长直螺线管的自感系数：求长直螺线管的自感系数 几何条件如图几何条件如图解：设通电流解：设通电流几何几何条件条件介质介质固有的性质固有的性质电惯性电惯性总长总长总匝数总匝数上页上页下页下页退出退出返回返回32第三十二页，本课件共有39页互

18、感现象 当一个线圈中当一个线圈中电流发生变化时在电流发生变化时在另一个线圈中产生另一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周围产周围产生一个变化的磁场，变化的磁场周围又产生一个生一个变化的磁场，变化的磁场周围又产生一个感生电场，感生电场作用在导体线圈感生电场，感生电场作用在导体线圈2中的自由中的自由电荷上，在线圈电荷上，在线圈2中产生互感电动势，反之也一样。中产生互感电动势，反之也一样。1I1N1S12I2N2S2上页上页下页下页退出退出返回返回33第三十三页，本课件共有39页5 5 磁场能量磁场能量 设设拉拉闸闸后后，dt内内通通

19、过过灯灯泡泡的的电电流流为为i，则则dt内内自自感电动势作的功为感电动势作的功为实实验验:开开关关拉拉开开时时，灯灯泡泡反反而而闪闪亮一下。为什么亮一下。为什么?通电线圈中储藏着能量。通电线圈中储藏着能量。从另一角度说是自感电动势作了功。从另一角度说是自感电动势作了功。上页上页下页下页退出退出返回返回34第三十四页，本课件共有39页它也就是自感线圈的它也就是自感线圈的磁能磁能:反过来利用上式，如果知道了磁能，也可以反过来利用上式，如果知道了磁能，也可以求自感求自感上页上页下页下页退出退出返回返回对一个对一个长直螺线管长直螺线管来说来说35第三十五页，本课件共有39页任意磁场的能量计算公式任意磁

20、场的能量计算公式为为其磁场是在螺线管内，而且是均匀的，所以单位体其磁场是在螺线管内，而且是均匀的，所以单位体积的磁场能量（积的磁场能量（磁场能量密度磁场能量密度）为）为（有普遍性）（有普遍性）上页上页下页下页退出退出返回返回36第三十六页，本课件共有39页例例11：无限长载流直导线无限长载流直导线电流电流I均匀分布，均匀分布，r=1，求单位长导线的磁场能。求单位长导线的磁场能。解：解：由安培环路定律由安培环路定律(r处处)求磁场求磁场：上页上页下页下页退出退出返回返回R37第三十七页，本课件共有39页体积元内的体积元内的磁场能磁场能为：为：单位长度（单位长度（1m）导线内的磁场能为）导线内的磁场能为：上页上页下页下页退出退出返回返回求磁能：求磁能：38第三十八页，本课件共有39页能量存在能量存在器件中器件中CL存在存在场中场中通过平板电容器得通过平板电容器得出下述结论出下述结论通过长直螺线管得通过长直螺线管得出下述结论出下述结论在电磁场中在电磁场中普遍适用普遍适用各种电场各种电场 磁场磁场静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场类比类比上页上页下页下页退出退出返回返回39第三十九页，本课件共有39页