清华大学大学物理——电磁感应.pptx

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1、1 电电磁磁感感应应现现象象揭揭示示了了电电与与磁磁之之间间的的联联系系和和转转化化，为为人人类类获获取取电电能能开开辟辟了了道道路路，引引起起了了一一场场重大的工业和技术革命。重大的工业和技术革命。电流磁场，磁场电流？经过失败和挫折(18221831)，法拉第终于发现：感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。在恒定电流的磁场中，导线中无电流法拉第感到迷惑。第1页/共51页2 1831年法拉第总结出以下五种情况都可产生感应电流：变化着的电流，运动着的恒定电流，在磁场中运动着的导体，变化着的磁场，运动着的磁铁。第2页/共51页3 1832年法拉第发现，在相同的条件下，不同金属导体中产生的

2、感应电流的大小，与导体的电导率成正比。他认为，当通过回路的磁力线根数(即磁通量)变化时，回路里就会产生感应电流，从而揭示出了产生感应电动势的原因。他意识到：感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的；即使不形成导体回路，这时不存在感应电流，但感应电动势却仍然有可能存在。第3页/共51页410.1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律10.3 感生电动势和感生电场感生电动势和感生电场10.5 自感自感 10.2 动生电动势10.4 互感互感 10.6 磁场的能量磁场的能量10.7 超导的电磁特性（教材超导的电磁特性（教材P354-368）目 录【演演示示实实验验】发发光光二二极极管管演演示示电

3、电磁磁感感应应、万万用用变变压压器器演演示示涡涡流流（跳跳圈圈、加加热热）、涡涡流流的的阻阻力力（磁磁体体在在铝管内运动铝管内运动）、涡流阻尼摆、超导磁悬浮列车、涡流阻尼摆、超导磁悬浮列车第4页/共51页5 当当穿穿过过闭闭合合导导体体回回路路所所限限定定的的面面积积的的磁磁通通量量发生变化时，回路中将发生变化时，回路中将产生感应电流。产生感应电流。10.1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律闭合导体闭合导体闭合回路闭合回路的正方向：的正方向：L 的方向的方向的正方向：的正方向：与与L 成右手螺旋成右手螺旋感应电动势：【演示实验演示实验】发光二极管演示电磁感应发光二极管演示电磁感应第5页/共

4、51页6感应电流的磁场感应电流的磁场 阻碍磁通量的变化阻碍磁通量的变化SS 第6页/共51页7N 匝线圈情况：匝线圈情况：涡流（Eddy current）：大块导体处于变化磁场中，或相对于磁场运动，导体内产生闭合的涡旋状的感应电流。电磁灶和变压器铁芯异步电动机【演演示示实实验验】万万用用变变压压器器演演示示涡涡流流（跳跳圈圈、加加热热）、涡流的阻力涡流的阻力（磁体在铝管内运动磁体在铝管内运动）、涡流阻尼摆、涡流阻尼摆磁链第7页/共51页8磁通可按不同方式变化感应电动势:感生电动势一般情况：磁场变化 同时 回路运动 :动生电动势动生电动势磁场变化、回路静止磁场恒定、回路运动【思考】非静电力是什么

5、？感生电场Lorentz力第8页/共51页910.2 动生（motional）电动势 回路或其一部分相对恒定磁场运动，引起穿过回路的磁通变化 动生电动势。非静电力：动生电动势：【思考】点b、a间的电势+-baf【思考】?第9页/共51页10 x xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx x 任任意意形形状状的的导导线线回回路路L L，在在恒恒定定磁磁场场中中运运动动或形变，回路中产生的动生电动势为或形变，回路中产生的动生电动势为第10页/共51页11外外【例例】Lorentz 力不作功，只传递能量。力不作功，只传递能量。Lorentz 力不作功是

6、指第11页/共51页12外力作功 感生电流能量外外第12页/共51页13【例例】法拉第圆盘（金属）法拉第圆盘（金属）R 切割 B 线 动生电动势第13页/共51页1410.3 感生电动势和感生电场感生电动势和感生电场场的观点：变化的磁场在其周围空间激发感生电场 产生感生电动势的非静电力场 回路静止，仅由磁场的变化引起穿过回路的磁通变化所产生的电动势 感生（induced）电动势第14页/共51页15 即使没有导体存在，变化的磁场也会在空间激发涡旋状的感生电场（非静电场）L 的方向：的方向：的正方向的正方向微分形式：“变化的磁场会激发电场”第15页/共51页16【例例】电子感应加速器电子感应加速

7、器（Betatron）B 轴对称轴对称E感感 轴对称轴对称？加速vE感加速Lorentz力指向圆心第16页/共51页17任何电场都可以写成其中其中因此，任何电场都满足第17页/共51页18真空中电场的基本规律真空中电场的基本规律微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：第18页/共51页19计算感应电动势的两个公式1、通量法则2、按感生和动生电动势计算第19页/共51页2010.4 互感 互互感感电电动动势势不不仅仅与与电电流流改改变变的的快快慢慢有有关关，而而且且也也与与两两个个线线圈圈的的结结构构以以及及它它们们之间的相对位置有关。之间的相对位置有关。一一个个线线圈圈中中电电流流的的变变化化

8、，在在另另一一线线圈圈中中产产生生感感应应电电动动势势，这这称称为为互互感感现现象象。这这种种电电动动势势称称为为互感电动势互感电动势。第20页/共51页2121 I1 的磁场B1通过线圈2的磁链由毕奥萨定理：M21线圈1对2 的互感系数的正向与的正向与 成右手螺旋。成右手螺旋。1、线圈1电流I1变化 线圈2感生电动势第21页/共51页22感生电动势：2、线圈2 电流I2变化 线圈1感生电动势M12 线圈2对1 的互感系数第22页/共51页23可以证明（可以证明（P339 例例10.9）无铁磁质时，M与两个线圈中的电流无关，只由线圈的形状、大小、匝数、相对位置及周围磁介质的磁导率决定。但有铁磁

9、质时，M 还与线圈中的电流有关。第23页/共51页24 通过互感线圈使能量或信号由一个线圈传递到另一个线圈。由于互感，电路之间会互相干扰。可采用磁屏蔽等方法来减小这种干扰。三、互感的应用 例如电源变压器、中周变压器、输入、输出变压器以及电压和电流互感器等。第24页/共51页25【例例】长直螺线管内放一垂直圆环，求互感。长直螺线管内放一垂直圆环，求互感。设螺线管通电流设螺线管通电流i1，通过圆环的磁链，通过圆环的磁链i1【思考思考】设圆环通过电流设圆环通过电流 i2，求，求 M.第25页/共51页26系数系数L（0）自感系数、自感自感系数、自感 当当电电流流 I 变变化化时时，通通过过该该线线圈

10、圈的的全全磁磁通通（磁磁链链）也也发发生生变变化化，因因而而在在这这个个线线圈圈中中将产生感生电动势将产生感生电动势 自感电动势自感电动势10.5 自感第26页/共51页27 自感的应用：自感的应用：稳流，稳流，LC电路（振荡，滤波），灭弧保护电路（振荡，滤波），灭弧保护 自自感感电电动动势势 的的正正方方向向取取为为电电流流 的的方方向向，否则式中负号消失！否则式中负号消失！第27页/共51页28【例例】求总自感求总自感 L总电动势II第28页/共51页29总电动势：总自感：1、顺接I 磁场彼此加强，自感电动势和互感电动势同向。第29页/共51页30总自感：2、反接I设设 磁场彼此减弱，自感

11、电动势和互感电动势反向。总电动势：若，则。第30页/共51页31：螺线管体积【例例】求长直螺线管的自感系数求长直螺线管的自感系数第31页/共51页32【例例】RL电路电路1、充电、充电第32页/共51页33 时时间间常常数数 表表示示电电流流与与其其最最大大值值的的差差变变为为最最大值的大值的 所经过的时间。所经过的时间。时间常数:第33页/共51页342、放电、放电电流随时间按指数规律减少。电流随时间按指数规律减少。第34页/共51页35【例】趋肤效应 直流电路均匀导线横截面上的电流密度均匀分布。但在交流电路中，随着频率的提高，导线横截面上的电流分布越来越向导线表面集中，这种现象称为趋肤效应

12、。趋肤效应使导线的有效截面积减小，从而使其等效电阻增大。波导管波导管交变电磁场涡流趋肤效应第35页/共51页3610.6 磁场的能量磁场的能量一、自感磁能一、自感磁能断开电源，灯为什么还亮一下？断开电源，灯为什么还亮一下？线圈中磁场具有能量第36页/共51页37自感电动势做功自感电动势做功消耗自感线圈中的能量消耗自感线圈中的能量第37页/共51页38通有电流通有电流I的自感线圈的自感线圈L的磁能的磁能自感磁能总取正值自感磁能总取正值第38页/共51页39【例】(教材P339,例10.9)两互相邻近的互感为M的线圈的电流分别为I1和I2，求磁能。当两线圈产生的磁场相互加强当两线圈产生的磁场相互加

13、强（减弱）（减弱）时，时，取正取正（负）（负）号。号。结论：结论：（互感磁能）（自感磁能）第39页/共51页40二、磁场的能量磁能定域在磁场中。以填充非铁磁介质的长直螺线管为例磁场能量密度：磁场能量密度：第40页/共51页41电磁场的能量密度电磁场的能量密度在普遍情况下在普遍情况下第41页/共51页42三、通过磁场能求自感三、通过磁场能求自感按磁链求按磁链求，通过磁场能求?第42页/共51页4310.7超导的电磁特性（教材超导的电磁特性（教材P354-368）1911年翁纳斯年翁纳斯(K.Onnes，荷兰荷兰)首次发现：首次发现：电阻(W)0T(K)4.24.3Hg 后来相继发现 28 种元素

14、、5000多种合金和化合物以及在高压下15种元素都有超导电性。液氦(TC=4.2K,临界温度)中的固态Hg样品的电阻突然趋于零（1913年诺贝尔物理奖）第43页/共51页44 一些超导材料的临界温度 物质 Tc(K)发现年代 汞(Hg)4.2 1911 铅(Pb)7.2 1913 铌(Nb)9.2 1930 钒三硅 17.1 1953 铌铝锗 20.5 1967 铌三锗 23.2 1973 YBa2Cu3O790 1987 高温超导第44页/共51页45一、零电阻性超导环实验：将磁场中的铅环冷却 TC=7.2K 以下，撤去磁场，环中产生感应电流。2.5年内未发现电流有衰减！超导铅环第45页/共

15、51页46二、完全抗磁性（Meissner 效应，1933）超导体内部的磁场总为零，磁通总是超导体内部的磁场总为零，磁通总是被排出超导体外。被排出超导体外。磁场磁场B并非在超导体表面突降为零并非在超导体表面突降为零,而而是渗入表面一薄层后变为零。透入深度是渗入表面一薄层后变为零。透入深度 10-5 cm。厚度厚度 10-5 cm的超导薄膜，不可能有的超导薄膜，不可能有迈斯纳效应。迈斯纳效应。第46页/共51页47完全抗磁性实验：将条形磁铁放在超导铅碗（浸在液氦中的铅碗）中。因超导铅碗的抗磁性对磁铁产生的斥力，磁铁悬浮在碗的上方。一一块块磁磁铁铁悬悬浮浮在在已已进进入入超超导导态态的的超超导材料

16、上导材料上第47页/共51页48超导态的临界参量：临界温度临界温度 Tc临界磁场临界磁场 Bc临界电流密度临界电流密度 Jc任一临界参量超过阈值 超导态变成正常态理想导体：零电阻性，无“完全抗磁性”超导体：零电阻性+完全抗磁性第48页/共51页49三、超导技术的应用超导输电线铜线 容许电流密度 10-2 A/cm2超导线(如Nb3Sn芯线)105 A/cm2可省去变电设备，采用直流输电方式我校超导中心（立斋）超导电磁铁核磁共振仪，高能加速器均需强磁场B=5T的普通电磁铁 20吨超导电磁铁 几公斤第49页/共51页50我国西南交大研制的世界首辆载人高温我国西南交大研制的世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车超导磁悬浮实验车第50页/共51页51感谢您的观看！第51页/共51页