電磁感應(yīng)與電磁波PPT課件

.,1,第九章電磁感應(yīng)與電磁波,ElectromagneticInduction,.,2,吉爾伯特,17世紀(jì)初，英國醫(yī)生吉爾伯特在對(duì)電、磁現(xiàn)象的研究中斷言：電與磁是兩種截然不同的現(xiàn)象。這個(gè)錯(cuò)誤論斷一直沿續(xù)了200多年。,1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而糾正了吉爾伯特的錯(cuò)誤論斷，與此同時(shí)新的問題又提了出來，磁場(chǎng)能否產(chǎn)生電流？,電能生磁，磁能否生電呢？,?,.,3,法拉第(MichaelFaraday1791-1867),英國物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家。,.,4,1791年9月22日出生于薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦鐵匠家庭。因家庭貧困僅上過幾年小學(xué)，13歲時(shí)便在一家書店里當(dāng)學(xué)徒。書店的工作使他有機(jī)會(huì)讀到許多科學(xué)書籍。在送報(bào)、裝訂等工作之余，自學(xué)化學(xué)和電學(xué)，并動(dòng)手做簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證書上的內(nèi)容。利用業(yè)余時(shí)間參加市哲學(xué)學(xué)會(huì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，聽自然哲學(xué)講演，因而受到了自然科學(xué)的基礎(chǔ)教育。,.,5,由于他愛好科學(xué)研究，專心致志，受到英國化學(xué)家戴維的賞識(shí)，1813年3月由戴維舉薦到皇家研究所任實(shí)驗(yàn)室助手。這是法拉第一生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從此他踏上了獻(xiàn)身科學(xué)研究的道路。同年10月戴維到歐洲大陸作科學(xué)考察，講學(xué)，法拉第作為他的秘書、助手隨同前往。歷時(shí)一年半，先后經(jīng)過法國、瑞士、意大利、德國、比利時(shí)、荷蘭等國，結(jié)識(shí)了安培、蓋.呂薩克等著名學(xué)者。沿途法拉第協(xié)助戴維做了許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這大大豐富了他的科學(xué)知識(shí)，增長了實(shí)驗(yàn)才干，為他后來開展獨(dú)立的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。1815年5月回到皇家研究所,在戴維指導(dǎo)下進(jìn)行化學(xué)研究。1824年1月當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，1825年2月任皇家研究所實(shí)驗(yàn)室主任，1833-1862任皇家研究所化學(xué)教授。1846年榮獲倫福德獎(jiǎng)?wù)潞突始覄渍隆?867年8月25日逝世。,.,6,法拉第是電磁場(chǎng)理論的奠基人，他首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應(yīng)、電化學(xué)、靜電感應(yīng)的研究中進(jìn)一步深化和發(fā)展了力線思想，并第一次提出場(chǎng)的思想，建立了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的概念，否定了超距作用觀點(diǎn)。愛因斯坦曾指出，場(chǎng)的思想是法拉第最富有創(chuàng)造性的思想，是自牛頓以來最重要的發(fā)現(xiàn)。麥克斯韋正是繼承和發(fā)展了法拉第的場(chǎng)的思想，為之找到了完美的數(shù)學(xué)表示。法拉第對(duì)科學(xué)堅(jiān)韌不拔的探索精神，為人類文明進(jìn)步純樸無私的獻(xiàn)身精神，連同他的杰出的科學(xué)貢獻(xiàn)，永遠(yuǎn)為后人敬仰。,.,7,電磁感應(yīng)的意義（1）電磁統(tǒng)一，進(jìn)入電氣時(shí)代；（2）認(rèn)識(shí)深化：靜電動(dòng)電，靜磁動(dòng)磁；（3）為MaxwellEquation奠定了基礎(chǔ)；（4）電磁感應(yīng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為愛因斯坦的相對(duì)性原理提供了靈感。,.,8,9-1電磁感應(yīng)定律,?,磁怎樣產(chǎn)生電，有什么規(guī)律？,.,9,一、電動(dòng)勢(shì),要形成穩(wěn)恒電流，電路中必須存在非靜電力。,除靜電力之外的所有力都是非靜電力（化學(xué)、機(jī)械、磁力等）,.,10,1非靜電性場(chǎng)強(qiáng),Fk表示電荷q在電源中受到的非靜電力，則定義：,非靜電性場(chǎng)強(qiáng),外電路中非靜電性場(chǎng)強(qiáng)為0。,.,11,2電動(dòng)勢(shì),定單位正電荷從電源負(fù)極移到電源正極時(shí)，非靜電力作的功,.,12,非靜電場(chǎng)強(qiáng)沿閉合電路上的環(huán)流,方向：與電流方向一致。,電動(dòng)勢(shì)由低電勢(shì)指向高電勢(shì)。,.,13,二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)一,結(jié)論：閉合線圈處磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流。,.,14,實(shí)驗(yàn)二,結(jié)論：磁場(chǎng)不變，AB運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流。,.,15,電磁感應(yīng)現(xiàn)象,.,16,電磁感應(yīng)現(xiàn)象,.,17,三、法拉第電磁感應(yīng)定律,通過環(huán)路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量對(duì)時(shí)間的變化率成正比。,感應(yīng)電流,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),.,18,討論：,（1）“-”號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，是楞次定律的數(shù)學(xué)表達(dá)。,（2）楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是反抗產(chǎn)生感應(yīng)電流的磁通量的變化。,.,19,的正負(fù)確定：,以原磁通0為正方向，i與0成右手系則i為正，反之則為負(fù)。,0,/ti,的正負(fù)只有在規(guī)定“一定的正方向”之下才有意義。,.,20,0,N,S,/ti,.,21,討論：,（3）N匝線圈,.,22,（4）感應(yīng)電流,討論：,如果閉合回路的電阻為R,穿過任一截面的感生電量為,磁通計(jì)的工作原理,.,23,?,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方法？,磁場(chǎng)變化導(dǎo)體移動(dòng)磁場(chǎng)變化+導(dǎo)體移動(dòng),.,24,9-2動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),.,25,1、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),G,A,B,v,dx,l,磁場(chǎng)不變，線圈形狀、大小改變。,.,26,2非靜電場(chǎng)強(qiáng)？,.,27,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的物理本質(zhì),由洛倫茲力提供非靜電性力，搬運(yùn)電荷的結(jié)果。,G,A,l,v,.,28,3動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)計(jì)算的一般公式,非靜電性場(chǎng)強(qiáng)：,G,A,l,v,.,29,.,30,例1、如圖，長為L的導(dǎo)體棒，繞o點(diǎn)以角速度w在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，求動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。,解：取線元dl,o,A,l,.,31,U0UA,.,32,思考題：,A、B兩端哪端電勢(shì)高？,.,33,例2：如圖，求AB導(dǎo)體中的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。,解：,VAVB,.,34,例3、磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈。,C,D,A,B,n,q,w,S,解：通過每匝線圈磁通量,.,35,發(fā)電機(jī)的基本原理：,線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生交變電流。,.,36,.,37,發(fā)電機(jī),.,38,練習(xí)：在均勻恒定磁場(chǎng)中，一根導(dǎo)體棒abc以v=1.5m/s在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，試求導(dǎo)體兩端的電勢(shì)差Uac。哪端電勢(shì)高？已知ab=bc=10cm。,a,c,b,30,.,39,綜合練習(xí)五計(jì)算題7,.,40,綜合練習(xí)五計(jì)算題7,.,41,9-3感生電動(dòng)勢(shì)感生電場(chǎng),導(dǎo)體不動(dòng)，而磁場(chǎng)變化，導(dǎo)體中也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),感生電動(dòng)勢(shì),.,42,一、感生電動(dòng)勢(shì)物理分析,.,43,1麥克斯韋假設(shè)(1861)：,變化的磁場(chǎng)在其周圍激發(fā)了一種電場(chǎng)，稱為感生電場(chǎng)。,二感生電場(chǎng),感生電動(dòng)勢(shì)就是感生電場(chǎng)搬運(yùn)電荷的結(jié)果。,非靜電場(chǎng),.,44,感生電場(chǎng),靜電場(chǎng),由自由電荷激發(fā)。,電力線不閉合,由變化的磁場(chǎng)激發(fā),電力線是閉合的。,.,45,2感生電場(chǎng)的環(huán)流,由電動(dòng)勢(shì)的定義：,.,46,討論：,感生電場(chǎng)為非保守場(chǎng)！,在少數(shù)對(duì)稱情況下，可以求出感應(yīng)電場(chǎng)分布,.,47,例：在半徑為R的無限長螺線管內(nèi)部,磁場(chǎng)B作線性變化（dB/dt=常數(shù)），求管內(nèi)外的感生電場(chǎng)。,.,48,(1)rR,.,49,管內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng),管外的感應(yīng)電場(chǎng),.,50,例：在一圓柱體內(nèi)有沿軸向的均勻磁場(chǎng),今在軸線處放一半徑r=0.01m的圓形小線圈，其圓心通過軸，線圈平面與軸垂直。已知B=510-2sin314t。求小線圈上的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度。,解：,選閉合環(huán)路沿圓形線圈，順時(shí)針繞行方向?yàn)檎?磁場(chǎng)均勻，且有軸對(duì)稱性。線圈也具有軸對(duì)稱性。,.,51,感應(yīng)電場(chǎng)取決于空間磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化，與小線圈是否存在無關(guān)。,說明：,方向：順時(shí)針,.,52,例：在半徑為R的圓柱形體積內(nèi)充滿磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)，有一長為L的金屬棒放在磁場(chǎng)中，如圖所示。設(shè)dB/dt為已知，求棒兩端的電勢(shì)差。,.,53,解法一,.,54,解法二,.,55,要產(chǎn)生最大電勢(shì)差，棒為多長？,.,56,三、電子感應(yīng)加速器,美國科學(xué)家克斯特于1940年首先制成電子感應(yīng)加速器。,.,57,原理：在兩電磁鐵之間裝有環(huán)形真空室，電磁鐵在每秒數(shù)十周的交變電流的激勵(lì)下，在環(huán)形真空室內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這交變磁場(chǎng)又在真空室內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的渦旋電場(chǎng)。由電子槍注入環(huán)形真空室中的電子，既受到洛侖茲力作用而在真空室內(nèi)沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)，又受渦旋電場(chǎng)的作用沿軌道切線方向而加速。,.,58,電子軌道處的感生電場(chǎng)：,.,59,電子受到的磁場(chǎng)力：,B為電子運(yùn)動(dòng)軌道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,.,60,.,61,例：設(shè)電子在環(huán)形真空室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌道半徑為1m，磁感應(yīng)強(qiáng)度的時(shí)間變化率為dB/dt=100Ts-1。問電子每繞一周所獲得的能量是多大？,解：電子繞行軌道上各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小為,.,62,電子繞行一周，感生電場(chǎng)力對(duì)電子所做的功為：,即電子每繞一周所獲得的能量是314eV.,.,63,若在電場(chǎng)改變方向前，電子已繞行32萬圈，最終電子的能量有多大？相應(yīng)的速率有多大？,.,64,四渦電流,導(dǎo)體（塊）在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或被放在變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體中形成渦旋電流（感應(yīng)電流）。,.,65,高頻感應(yīng)電爐,變壓器的鐵芯作成片狀,1渦電流熱效應(yīng)的應(yīng)用與危害：,高效、純凈、易控制,金屬探測(cè)器：探礦、安檢,.,66,2渦電流磁效應(yīng)的應(yīng)用電磁阻尼,電磁儀表,.,67,例：如圖所示，真空中一長直導(dǎo)線通有電流。在它旁邊平行地放置一矩形導(dǎo)體框，長為L的導(dǎo)體棒AB與長直導(dǎo)線垂直，并沿軌道以速度v滑動(dòng)。求在任一時(shí)刻t，在矩形框內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,v,d,L,.,68,v,d,L,.,69,.,70,9-4自感應(yīng)和互感應(yīng),.,71,一自感應(yīng),由于回路中電流產(chǎn)生的磁通量發(fā)生變化，而在自己回路中激起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)。,mI,BI,寫成等式：m=LI或L=m/I,.,72,根據(jù)電磁感應(yīng)定律，,或,L稱為自感系數(shù)。,僅與回路性質(zhì)(幾何形狀）有關(guān)。,感應(yīng)電流反抗原來電流的變化。,.,73,自感系數(shù)的意義,1在數(shù)值上等于回路中的電流是1安培時(shí)，通過回路所圍面積的磁通量。,L=m/I,2在數(shù)值上等于回路中的電流隨時(shí)間的變化率為1單位時(shí)，在自身線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,.,74,N匝線圈,自感系數(shù)的單位：亨利（H),.,75,例：長直螺線管，已知l,R,N,I,線圈內(nèi)各點(diǎn)的B:,每匝線圈的磁通量：,磁鏈數(shù)：,.,76,I變化，產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)：,L:自感系數(shù)，僅與回路性質(zhì)有關(guān)，是一個(gè)電路參數(shù)。,磁鏈數(shù)：,.,77,例：如圖，同軸電纜(R1、R2)，其間充滿磁介質(zhì)（），沿內(nèi)圓筒和外圓筒流過的電流I大小相等而方向相反，求電纜單位長度的自感。,.,78,.,79,I1的變化,二互感應(yīng),.,80,I2的變化,.,81,兩個(gè)載流線圈相互地激起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為互感現(xiàn)象。,互感系數(shù)M：,.,82,.,83,例：均勻密繞的螺線管，長度l=30cm，橫截面積s=4cm2，線圈共有2500匝，管中磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率為0.（1）求此螺線管的自感系數(shù)；（2）如果線圈中電流每秒增加15安培，自感電動(dòng)勢(shì)是多少？,解：,（1）設(shè)線圈中通電流I，則,.,84,（2）,.,85,例：C1、C2是兩個(gè)共軸螺線管，長為L，截面積為S。線圈匝數(shù)分別為N1、N2，螺線管內(nèi)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率為。求：（1）這兩共軸螺線管的互感系數(shù)；（2）兩螺線管自感系數(shù)與互感系數(shù)的關(guān)系。,.,86,解：,（1）設(shè)C1線圈中通有電流I1，,通過C2線圈的磁通量,互感系數(shù),.,87,（2）自感系數(shù),一般情況,.,88,例兩同軸放置的圓形線圈C1和C2，C1的面積S=4.0cm2，共50匝；C2的半徑R=20cm，共100匝，求(1)兩線圈的互感系數(shù)M；(2)當(dāng)C2中的電流以50A/s的變化率減小時(shí)，求C1中的互感電動(dòng)勢(shì),解：(1)C1的半徑,設(shè)C2通以電流I2，圓心處,.,89,通過C1線圈的全磁通,(2),.,90,9-5磁場(chǎng)的能量,.,91,一自感磁能,K1閉合，燈逐漸亮起來。,要求電源反抗感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作功,電流從0逐漸增大直到穩(wěn)定,K2閉合，同時(shí)K1斷開，燈逐漸熄滅,自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增長,自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流減少,自感磁能轉(zhuǎn)換為焦耳熱,.,92,I為電流的瞬時(shí)值,定量分析電流增大過程,分離變量并積分，,電流隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增加,.,93,e=4;r=2;l1=4;l2=6;l3=8;t=0.0:0.1:16;i1=e/r*(1-exp(-r*t/l1);i2=e/r*(1-exp(-r*t/l2);i3=e/r*(1-exp(-r*t/l3);plot(t,i1,b,t,i2,g,t,i3,r)end,MATLAB,.,94,.,95,？,磁場(chǎng)能量,.,96,在一個(gè)自感系數(shù)為L的線圈中建立強(qiáng)度為I的電流，線圈中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量。,.,97,二磁場(chǎng)的能量,長直螺線管：B=0nI,定義：,磁場(chǎng)能量密度,.,98,討論：,磁場(chǎng)具有能量，是磁場(chǎng)具有物質(zhì)性的表現(xiàn)。,磁場(chǎng)能量密度定義具有普適性。,.,99,磁場(chǎng)能量與電場(chǎng)能量的比較,磁場(chǎng)能量,電場(chǎng)能量,.,100,例：一無限長載流圓柱直導(dǎo)線，截面各處電流均勻分布，總電流為I。求每單位長度導(dǎo)線內(nèi)貯存的磁場(chǎng)能。設(shè)導(dǎo)線r=1.,解：,由安培環(huán)路定理，求磁感應(yīng)強(qiáng)度,.,101,磁場(chǎng)能量體密度,取體積元,總能量,該體積元內(nèi)的能量,.,102,單位長度的能量,.,103,9-6位移電流,.,104,靜電場(chǎng)：,穩(wěn)恒磁場(chǎng)：,感生電場(chǎng)：,變化的電場(chǎng)能否產(chǎn)生磁場(chǎng)？,感生電場(chǎng),.,105,1回顧安培環(huán)路定理：,在磁場(chǎng)中，沿任何閉合曲線B矢量的線積分（環(huán)流），等于真空的磁導(dǎo)率乘以穿過以這閉合曲線為邊界所張任意曲面的各恒定電流的代數(shù)和。,一位移電流,.,106,傳導(dǎo)電流在全電路中不連續(xù)。,.,107,電流在正極板終結(jié),電荷在正極板積累,電位移矢量變化,通過S2面的電位移通量變化,2麥克斯韋位移電流假設(shè)：,.,108,對(duì)S1+S2形成的閉合曲面應(yīng)用高斯定理：,.,109,激發(fā)磁場(chǎng)-“感生磁場(chǎng)”,.,110,傳導(dǎo)電流,由電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,存在于導(dǎo)體中,有熱效應(yīng),位移電流,由變化電場(chǎng)產(chǎn)生,可存在于真空中,無熱效應(yīng),.,111,感生電場(chǎng)：,靜止電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生感生電場(chǎng)。,變化的電場(chǎng)能否產(chǎn)生磁場(chǎng)？,二麥克斯韋方程組,1麥克斯韋電磁場(chǎng)基本理論：,.,112,傳導(dǎo)電流產(chǎn)生渦旋磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生渦旋磁場(chǎng)。,電場(chǎng),磁場(chǎng),變化,.,113,2麥克斯韋方程組(Maxwellsequations),定義總電場(chǎng)：,定義總磁場(chǎng)：,.,114,靜電場(chǎng)：,感生電場(chǎng)：,穩(wěn)恒磁場(chǎng)：,“感生磁場(chǎng)”,.,115,麥克斯韋方程組積分形式：,.,116,麥克斯韋方程組的意義,（1）是電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的概括和總結(jié)，是物理學(xué)史上又一次大綜合，它和力學(xué)、熱學(xué)一起構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)的三大支柱。（2）預(yù)言了電磁波的存在（3）預(yù)言了光的電磁本性,.,117,例：半徑為R的兩塊圓板構(gòu)成平板電容器，由圓板中心處引入兩根長直導(dǎo)線給電容器勻速充電，電場(chǎng)的變化率為dE/dt。(1)求電容器兩板間的位移電流;,.,118,.,119,(2)計(jì)算電容器內(nèi)離兩板中心連線r（rR）處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,.,120,.,121,練習(xí)：在一對(duì)巨大的圓形極板（電容C=1.010-12F）上，加上頻率為50Hz、峰值為174000V的交變電壓，計(jì)算極板間位移電流的極大值。,.,122,解：平行板電容器,.,123,位移電流的極大值,.,124,三、電磁波,如振蕩偶極子,.,125,.,126,2電磁場(chǎng)的物質(zhì)性：,1電磁波：變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互激發(fā)、相互轉(zhuǎn)化，并可以脫離場(chǎng)源而獨(dú)立存在，以有限速度繼續(xù)往前傳播。,實(shí)驗(yàn)證明：電磁場(chǎng)具有能量、動(dòng)量、電磁質(zhì)量。,電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種特殊形態(tài)。,.,127,3平面電磁波的基本性質(zhì)；,電磁波是橫波。,.,128,電磁波傳播速度為：,真空：,光波是電磁波?？梢姽猓?40007600,1=10-10m,.,129,Theelectromagneticspectrum,VioletBlueGreenYellowOrangeRed,700,600,500,400,ultraviolet,infrared,visiblespectrum,wavelength(nm),.,130,能流密度,坡印廷矢量,.,131,.,132,麥克斯韋（JamesClerkMaxwell1831-1879),在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象那一年，麥克斯韋在英國的愛丁堡出生了。,1850年，他進(jìn)入劍橋大