動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)

1、2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,動(dòng)生,p201 3-1、3、6、10、11、13、14、15 分析各種產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可分為以下兩類,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因？ 涉及到的概念電流、電源、電動(dòng)勢(shì),2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,電動(dòng)勢(shì),把單位正電荷從負(fù)極通過電源內(nèi)部移到正極時(shí)，非靜電力所做的功,與外電路是否接通無關(guān)， 不限于 閉合回路，定義為,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 電動(dòng)勢(shì)是反映電源性能的，是衡量電源內(nèi)部非靜電力大小的物理量,非靜電力,本質(zhì)上沒有新的物理內(nèi)容，實(shí)質(zhì) 上是洛侖茲力的后果,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍

2、編,問題,洛侖茲力永遠(yuǎn)不對(duì)電荷做功，這里又可以作為非靜電力做功產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，兩者是否有矛盾,v：棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度 u：電子相對(duì)于導(dǎo)體的定向運(yùn)動(dòng)速度 v+u：電子總速度 F總：電子以速度v+u在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受洛侖茲力不做功,阻礙導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)做負(fù)功安培力,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,證明 PFPF0,電子漂移速度,回路的電阻為R,桿的長(zhǎng)度,桿運(yùn)動(dòng)速度,對(duì)電子做負(fù)功,對(duì)電子做正功,兩個(gè)力所做的功的代數(shù)和為零洛侖茲力不做功,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,洛侖茲力扮演什么角色,洛侖茲力起到了傳遞能量的作用,機(jī)械能,電能,熱能,外力克服F做功,通過F轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流,2005.4,北

3、京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,兩位發(fā)明家,愛迪生 發(fā)明了直流發(fā)電機(jī)和輸電系統(tǒng)（小規(guī)模） 堅(jiān)持認(rèn)為直流電是最安全最好的全國(guó)電力系統(tǒng) 特斯拉 發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng) 開創(chuàng)了電氣革命新里程 把電能轉(zhuǎn)為實(shí)際應(yīng)用的技術(shù),2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,例題 p164,導(dǎo)體棒在均勻磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，棒上各點(diǎn)切割磁力線的速度不同，如何處理？ 取微元求出一小段 再積分,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,例題：一長(zhǎng)直導(dǎo)線載有電流I，旁邊有一與它共面的矩形線圈，線圈的長(zhǎng)邊與直導(dǎo)線平行，矩形線圈的邊長(zhǎng)分別為a、b，線圈共有N匝，若線圈以速度v勻速離開直導(dǎo)線，求當(dāng)矩形線圈與長(zhǎng)直導(dǎo)線近的一邊相距為x時(shí)，線圈中的

4、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向,方法一：用磁通量變化率求 方向：用楞次定律判定,A-B-C-D-A,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,用動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)求,方向：A-B-C-D-A 思考：如果I隨時(shí)間變化？ 可以用d/dt,但能否用動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)定義求,取ABCDA回路為正,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,感生電動(dòng)勢(shì),為什么電磁感應(yīng)爐中的工件會(huì)被加熱？ 為什么電磁灶上鋁鍋中的水會(huì)被加熱？ 顯然是由于導(dǎo)體中有電流渦流 問題：工件和鋁鍋沒有相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，非靜電力顯然不是洛侖茲力，推動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)的非靜電力又是什么呢？ 實(shí)驗(yàn)表明，這種情況下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)完全與導(dǎo)體的種類和性質(zhì)無關(guān),2005.4,北京大學(xué)

5、物理學(xué)院王稼軍編,麥克斯韋（Maxwell,Faraday的力線思想深深地吸引了Maxwell Maxwell談到:“法拉第實(shí)驗(yàn)所提供的存在力線的美妙的例子，促使我相信力線是某種實(shí)際存在的東西” 在他的專著電磁通論中寫道：“我主要是抱著給法拉第這些觀念提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的愿望來承擔(dān)這部著作的寫作工作” 敏銳地感覺到由于磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象預(yù)示著有關(guān)電磁場(chǎng)的新效應(yīng),2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,渦旋電場(chǎng),Maxell相信即使不存在導(dǎo)體回路，變化的磁場(chǎng)在其周圍也會(huì)激發(fā)一種電場(chǎng)，他稱之為感應(yīng)電場(chǎng)或渦旋電場(chǎng) 考慮一個(gè)固定回路L，S為以L為邊界的曲面，通過S的磁通量改變導(dǎo)致產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),

6、由于回路L固定，磁通量的變化完全由磁感應(yīng)強(qiáng)度B（或磁矢勢(shì)A)的變化引起的產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因,非靜電力 渦旋電場(chǎng),2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,渦旋電場(chǎng)的性質(zhì),產(chǎn)生原因,靜電荷激發(fā),變化的磁場(chǎng),電力線,不閉合,閉合,性質(zhì),保守場(chǎng) 有源、無旋場(chǎng),非保守場(chǎng) 無源、有旋場(chǎng),2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,負(fù)號(hào):說明E旋的方向與B/t(或A/t)成左手螺旋系統(tǒng) 恒磁場(chǎng)與渦旋電場(chǎng)都是有旋場(chǎng)，區(qū)別？ 渦旋電場(chǎng)是左旋場(chǎng) 恒磁場(chǎng)是右旋場(chǎng),如果是右旋場(chǎng)如何,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,電場(chǎng),啟示 理論研究：大膽假設(shè)、小心求證的探索過程、清晰的概念、準(zhǔn)確的定量表達(dá)為檢驗(yàn)其真?zhèn)翁峁┝丝?/p>

7、能性 由于尋找感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力，Maxwell預(yù)言了渦旋電場(chǎng)，后來被證實(shí)確實(shí)存在這種無源有旋場(chǎng)，性質(zhì)完全不同于靜電場(chǎng)，拓寬了人們對(duì)電場(chǎng)的認(rèn)識(shí) 伴隨著渦旋電場(chǎng)概念的建立提出了一個(gè)深刻的問題 B(t)E旋 其逆效應(yīng)是什么？ 問題的研究導(dǎo)致位移電流的假定 超距和近距 不同的物理觀點(diǎn)在研究對(duì)象、提出問題、對(duì)同樣現(xiàn)象的理解等方面都呈現(xiàn)出差異。 物理思想對(duì)科學(xué)研究有深刻的指導(dǎo)意義,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,例題:前題中，I(t,方法一： 用d/dt求,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,方法二：分別求出動(dòng)生和感生電動(dòng)勢(shì),B(t) 感生； 線圈移動(dòng) 動(dòng)生,例題9,BC和DA積分0,20

8、05.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,小結(jié),非靜電力,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,電子感應(yīng)加速器,原理 電磁鐵f=50周的強(qiáng)大交變電流勵(lì)磁，B交變 B變真空室內(nèi)感應(yīng)強(qiáng)大的E旋，E旋隨B變化而變化，電流交變一周，B、E旋變化如圖， 電子槍選擇加速時(shí)機(jī)射入 電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)配合，使洛侖茲力提供向心力 電子運(yùn)動(dòng)方向與渦旋電場(chǎng)方向配合好，使電子不斷加速 如圖只有第一個(gè)1/4周期內(nèi)被加速,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,為使電子在加速過程中，繞固定圓軌道運(yùn)動(dòng)，以便打靶，對(duì)磁場(chǎng)徑向分布有要求，即使軌道上的B值恰好等于軌道包圍的面積內(nèi)B值的平均值之半 推導(dǎo)：向心運(yùn)動(dòng),洛侖茲力,電子軌道處磁場(chǎng),電子被渦旋電場(chǎng)加速,2005.4,北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編,計(jì)算,初始條件：v=0,B=0 對(duì)上式求積分得,電子感應(yīng)加速器原則上不受相對(duì)論效應(yīng)影響，但因電子被加速時(shí)會(huì)輻