清華大學(xué)物理之電磁學(xué)PPT課件

1、1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象揭示了電與磁之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，為人類(lèi)獲取電能開(kāi)辟了道路，引起了一場(chǎng)重大的工業(yè)和技術(shù)革命。電流磁場(chǎng)，磁場(chǎng)電流？ 經(jīng)過(guò)失敗和挫折(18221831)，法拉第終于發(fā)現(xiàn)：感應(yīng)電流與原電流的變化有關(guān)，而與原電流本身無(wú)關(guān)。 在恒定電流的磁場(chǎng)中，導(dǎo)線中無(wú)電流法拉第感到迷惑。第1頁(yè)/共51頁(yè)2 1831年法拉第總結(jié)出以下五種情況都可產(chǎn)生感應(yīng)電流：變化著的電流，運(yùn)動(dòng)著的恒定電流，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)著的導(dǎo)體，變化著的磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)著的磁鐵。第2頁(yè)/共51頁(yè)3 1832年法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，不同金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小，與導(dǎo)體的電導(dǎo)率成正比。 他認(rèn)為，當(dāng)通過(guò)回路的磁力線根數(shù)(即磁通量)變化時(shí)，回

2、路里就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而揭示出了產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原因。 他意識(shí)到：感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無(wú)關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的；即使不形成導(dǎo)體回路，這時(shí)不存在感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)卻仍然有可能存在。第3頁(yè)/共51頁(yè)410.1 法拉第電磁感應(yīng)定律10.3 感生電動(dòng)勢(shì)和感生電場(chǎng)10.5 自感 10.2 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)10.4 互感 10.6 磁場(chǎng)的能量10.7 超導(dǎo)的電磁特性（教材P354-368）目 錄【演示實(shí)驗(yàn)】發(fā)光二極管演示電磁感應(yīng)、萬(wàn)用變壓器演示渦流（跳圈、加熱）、渦流的阻力（磁體在鋁管內(nèi)運(yùn)動(dòng)）、渦流阻尼擺、超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)第4頁(yè)/共51頁(yè)5 當(dāng)穿過(guò)閉合導(dǎo)體回路所限定的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中將產(chǎn)生感應(yīng)

3、電流。10.1 法拉第電磁感應(yīng)定律BS L 閉合導(dǎo)線閉合導(dǎo)線閉合導(dǎo)體閉合回路的正方向：L 的方向 Sd d的正方向：與L 成右手螺旋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： SSBttd dd dd dd dd d 【演示實(shí)驗(yàn)】發(fā)光二極管演示電磁感應(yīng)第5頁(yè)/共51頁(yè)6感應(yīng)電流的磁場(chǎng) 阻礙磁通量的變化td dd d L 增大增大 0SS第6頁(yè)/共51頁(yè)7dtdNdtddtddtdNii 1N 匝線圈情況：渦流（Eddy current）： 大塊導(dǎo)體處于變化磁場(chǎng)中，或相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生閉合的渦旋狀的感應(yīng)電流。電磁灶和變壓器鐵芯異步電動(dòng)機(jī)【演示實(shí)驗(yàn)】萬(wàn)用變壓器演示渦流（跳圈、加熱）、渦流的阻力（磁體在鋁管內(nèi)運(yùn)動(dòng)）、渦流

4、阻尼擺磁鏈第7頁(yè)/共51頁(yè)8磁通可按不同方式變化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):感生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)動(dòng)生生感感生生 td dd d一般情況：磁場(chǎng)變化 同時(shí) 回路運(yùn)動(dòng) :動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)磁場(chǎng)變化、回路靜止磁場(chǎng)恒定、回路運(yùn)動(dòng)【思考】非靜電力是什么？感生電場(chǎng)Lorentz力第8頁(yè)/共51頁(yè)910.2 動(dòng)生（motional）電動(dòng)勢(shì) 回路或其一部分相對(duì)恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，引起穿過(guò)回路的磁通變化 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。非靜電力： )()()(balBvabd d BvefEne )(動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)：【思考】點(diǎn)b、a間的電勢(shì)+-ab baI rUUabab abUU ,abvB -eV f IBabcdvBf【思考】t td dd d ?第9頁(yè)/共51頁(yè)10

5、ld dvLBxxxxxxxxxxxxxxxx 任意形狀的導(dǎo)線回路L，在恒定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或形變，回路中產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)為lBvLd d )( 第10頁(yè)/共51頁(yè)11外fBvef Bvef 【例】Lorentz 力不作功，只傳遞能量。vfvf vBvevfvBvevf 0)()( vfvfvvffLorentz 力不作功是指第11頁(yè)/共51頁(yè)12vfvfvf 外外外力作功 感生電流能量外外外fff 外外第12頁(yè)/共51頁(yè)13RB 【例】法拉第圓盤(pán)（金屬）R 切割 B 線 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)2021RBrBrR d d第13頁(yè)/共51頁(yè)1410.3 感生電動(dòng)勢(shì)和感生電場(chǎng) LlEd d感感感感 場(chǎng)的觀點(diǎn)：變化

6、的磁場(chǎng)在其周?chē)臻g激發(fā)感生電場(chǎng) 產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力場(chǎng) 感感E 回路靜止，僅由磁場(chǎng)的變化引起穿過(guò)回路的磁通變化所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) 感生（induced）電動(dòng)勢(shì) StBSd d 固固定定感感生生 SStBd d第14頁(yè)/共51頁(yè)15 即使沒(méi)有導(dǎo)體存在，變化的磁場(chǎng)也會(huì)在空間激發(fā)渦旋狀的感生電場(chǎng)（非靜電場(chǎng)） LSStBlEd dd d感感感感EL 的方向： 的正方向感感EtBE 感感微分形式：“變化的磁場(chǎng)會(huì)激發(fā)電場(chǎng)”第15頁(yè)/共51頁(yè)16【例】電子感應(yīng)加速器（Betatron）B 軸對(duì)稱(chēng)E感 軸對(duì)稱(chēng)？tBrrEd dd d22 感感tBrEd dd d2 感感加速vE感加速0 感感ELorentz力

7、指向圓心第16頁(yè)/共51頁(yè)17任何電場(chǎng)都可以寫(xiě)成感感恒恒靜靜EEEE tBEstBlELS d dd d LLlElE0d dd d恒恒靜靜其中因此，任何電場(chǎng)都滿(mǎn)足第17頁(yè)/共51頁(yè)18真空中電場(chǎng)的基本規(guī)律微分形式：tBE 0 E積分形式： VSVqSEd dd d 001StBtlESLd dd dd dd d 第18頁(yè)/共51頁(yè)19計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的兩個(gè)公式1、通量法則SBttSd dd dd dd dd d 2、按感生和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)計(jì)算 lBvStBBLSd dd d )(固定固定) 第19頁(yè)/共51頁(yè)2010.4 互感12I1I2B1B2 互感電動(dòng)勢(shì)不僅與電流改變的快慢有關(guān)，而且也與兩個(gè)線

8、圈的結(jié)構(gòu)以及它們之間的相對(duì)位置有關(guān)。 一個(gè)線圈中電流的變化，在另一線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這稱(chēng)為互感現(xiàn)象。這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為互感電動(dòng)勢(shì)。第20頁(yè)/共51頁(yè)21tdd2121 21 I1 的磁場(chǎng)B1通過(guò)線圈2的磁鏈12121IM 由畢奧薩定理：M21線圈1對(duì)2 的互感系數(shù)的正向與 成右手螺旋。21 21 1、線圈1電流I1變化 線圈2感生電動(dòng)勢(shì)第21頁(yè)/共51頁(yè)2212I1I2B1B2 tIMtdddd1212121 感生電動(dòng)勢(shì)：tIMtdddd2121212 2、線圈2 電流I2變化 線圈1感生電動(dòng)勢(shì)M12 線圈2對(duì)1 的互感系數(shù)第22頁(yè)/共51頁(yè)23MIIMMM 1212122112,可以證明（P

9、339 例10.9）tIMtIMdddd121212 無(wú)鐵磁質(zhì)時(shí)，M與兩個(gè)線圈中的電流無(wú)關(guān)，只由線圈的形狀、大小、匝數(shù)、相對(duì)位置及周?chē)沤橘|(zhì)的磁導(dǎo)率決定。但有鐵磁質(zhì)時(shí)， M 還與線圈中的電流有關(guān)。第23頁(yè)/共51頁(yè)24 通過(guò)互感線圈使能量或信號(hào)由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。 由于互感，電路之間會(huì)互相干擾?？刹捎么牌帘蔚确椒▉?lái)減小這種干擾。三、互感的應(yīng)用 例如電源變壓器、中周變壓器、輸入、輸出變壓器以及電壓和電流互感器等。第24頁(yè)/共51頁(yè)25【例】長(zhǎng)直螺線管內(nèi)放一垂直圓環(huán)，求互感。 設(shè)螺線管通電流i1，通過(guò)圓環(huán)的磁鏈nriMM2012121 i1【思考】設(shè)圓環(huán)通過(guò)電流 i2，求 M.210212

10、1rinrB rn第25頁(yè)/共51頁(yè)26td dd d LI 系數(shù)L（0）自感系數(shù)、自感tILdd d 當(dāng)電流 I 變化時(shí)，通過(guò)該線圈的全磁通（磁鏈） 也發(fā)生變化，因而在這個(gè)線圈中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì) 自感電動(dòng)勢(shì)I 10.5 自感第26頁(yè)/共51頁(yè)27 自感的應(yīng)用：穩(wěn)流，LC電路（振蕩，濾波），滅弧保護(hù) 自感電動(dòng)勢(shì) 的正方向取為電流 的方向，否則式中負(fù)號(hào)消失！I tILd dd d I第27頁(yè)/共51頁(yè)28【例】求總自感 LtILdd 總電動(dòng)勢(shì)? LII第28頁(yè)/共51頁(yè)29總電動(dòng)勢(shì)： tILtIMLLdddd221 MLLL221 總自感：tILdd1 tIMdd tILdd2 tIMdd 1、

11、順接I 磁場(chǎng)彼此加強(qiáng)，自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)同向。 第29頁(yè)/共51頁(yè)30 dtdILdtdIMLL 221MLLL221 總自感：dtdIL1 dtdIM dtdIL2 dtdIM 2、反接I設(shè) 磁場(chǎng)彼此減弱，自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)反向。 總電動(dòng)勢(shì)：若212LLM ，則0 L。第30頁(yè)/共51頁(yè)31VnILIVnIlSnnISnlBSnlnIB 222 VnL 2 lSV ：螺線管體積【例】求長(zhǎng)直螺線管的自感系數(shù) n,l,IS 第31頁(yè)/共51頁(yè)32【例】RL電路dtdiLL 0, 0 itiRdtdiL 0 iRL ti /Ri L LRK1、充電第32頁(yè)/共51頁(yè)33 0ti /R tR

12、RitLR-e1e1 時(shí)間常數(shù) 表示電流與其最大值的差變?yōu)樽畲笾档?所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。e1RL 時(shí)間常數(shù) : 第33頁(yè)/共51頁(yè)342、放電 0ti /Ri L LRK電流隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減少。 ttLRRRi eeRitiRL , 00第34頁(yè)/共51頁(yè)35【例】趨膚效應(yīng) 直流電路均勻?qū)Ь€橫截面上的電流密度均勻分布。 但在交流電路中，隨著頻率的提高，導(dǎo)線橫截面上的電流分布越來(lái)越向?qū)Ь€表面集中，這種現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線的有效截面積減小，從而使其等效電阻增大。 波導(dǎo)管交變電磁場(chǎng)渦流趨膚效應(yīng)第35頁(yè)/共51頁(yè)3610.6 磁場(chǎng)的能量一、自感磁能KLi斷開(kāi)電源，燈為什么還亮一下？ 線圈中磁場(chǎng)

13、具有能量第36頁(yè)/共51頁(yè)37KLi自感電動(dòng)勢(shì)做功消耗自感線圈中的能量iLititiLtiWLdddddd 2021ddLIiiLWWI 第37頁(yè)/共51頁(yè)38通有電流I的自感線圈L的磁能221LIWL 自感磁能總?cè)≌档?8頁(yè)/共51頁(yè)39【例】(教材P339, 例10.9) 兩互相鄰近的互感為M的線圈的電流分別為I1和I2，求磁能。212222112121IMIILILWm 當(dāng)兩線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互加強(qiáng)（減弱）時(shí)，取正（負(fù)）號(hào)。MMM 2112結(jié)論：（互感磁能）（自感磁能）第39頁(yè)/共51頁(yè)40BHVVBVInLIWm21221212222 二、磁場(chǎng)的能量磁能定域在磁場(chǎng)中。以填充非鐵磁介質(zhì)的

14、長(zhǎng)直螺線管為例 BHnIBVnL ,2 2212BBHum 磁場(chǎng)能量密度：第40頁(yè)/共51頁(yè)41電磁場(chǎng)的能量密度 BHDEu 21在普遍情況下 HBEDu 21第41頁(yè)/共51頁(yè)42三、通過(guò)磁場(chǎng)能求自感 dVHBLI21212? LIL 按磁鏈求，? 通過(guò)磁場(chǎng)能求?第42頁(yè)/共51頁(yè)4310.7超導(dǎo)的電磁特性（教材P354-368）1911年翁納斯(K. Onnes，荷蘭)首次發(fā)現(xiàn)： 電阻(W) 0T (K)4.24.3Hg 后來(lái)相繼發(fā)現(xiàn) 28 種元素、5000多種合金和化合物以及在高壓下15種元素都有超導(dǎo)電性。液氦(TC=4.2K,臨界溫度)中的固態(tài)Hg樣品的電阻突然趨于零（1913年諾貝爾

15、物理獎(jiǎng)）第43頁(yè)/共51頁(yè)44 一些超導(dǎo)材料的臨界溫度 物質(zhì) Tc(K) 發(fā)現(xiàn)年代 汞(Hg) 4.2 1911 鉛(Pb) 7.2 1913 鈮(Nb) 9.2 1930 釩三硅 17.1 1953 鈮鋁鍺 20.5 1967 鈮三鍺 23.2 1973 YBa2Cu3O790 1987 高溫超導(dǎo)第44頁(yè)/共51頁(yè)45一、零電阻性B超導(dǎo)金屬環(huán)超導(dǎo)環(huán)實(shí)驗(yàn)： 將磁場(chǎng)中的鉛環(huán)冷卻 TC=7.2K 以下，撤去磁場(chǎng)，環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流。 2.5年內(nèi)未發(fā)現(xiàn)電流有衰減！超導(dǎo)鉛環(huán)第45頁(yè)/共51頁(yè)46二、完全抗磁性（Meissner 效應(yīng)，1933） 超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)總為零，磁通總是被排出超導(dǎo)體外。 磁場(chǎng)B并非在超導(dǎo)體表面突降為零,而是滲入表面一薄層后變?yōu)榱?。透入深?10-5 cm。 厚度 10-5 cm的超導(dǎo)薄膜，不可能有邁斯納效應(yīng)。 第46頁(yè)/共51頁(yè)47完全抗磁性實(shí)驗(yàn)： 超導(dǎo)鉛碗 懸浮磁鐵NS 將條形磁鐵放在超導(dǎo)鉛碗（浸在液氦中的鉛碗）中。因超導(dǎo)鉛碗的抗磁性對(duì)磁鐵產(chǎn)生的斥力，磁鐵懸浮在碗的上方。 一塊磁鐵懸浮在已進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)材料上第47頁(yè)/共51頁(yè)48超導(dǎo)態(tài)的臨界參量：臨界溫度 Tc臨界磁場(chǎng) Bc臨界電流密度 Jc任一臨界參量超過(guò)