電場和磁場三教學(xué)用

1、電場和磁場三教學(xué)用第1頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁學(xué)發(fā)展史上的一個重要成就，它進一步揭示了自然界電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。在理論上，它為揭示電與磁之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化奠定實驗基礎(chǔ)，促進了電磁場理論的形成和發(fā)展；在實踐上，它為人類獲取巨大而廉價的電能開辟了道路，標志著一場重大的工業(yè)和技術(shù)革命的到來。第2頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四法拉第(Michael Faraday 17911867)偉大的英國物理學(xué)家和化學(xué)家。主要從事電學(xué)、磁學(xué)、磁光學(xué)、電化學(xué)方面的研究，并在這些領(lǐng)域取得了一系列重大發(fā)現(xiàn)。他創(chuàng)造性地提出場的思

2、想，是電磁理論的創(chuàng)始人之一。1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，后又相繼發(fā)現(xiàn)電解定律，物質(zhì)的抗磁性和順磁性，以及光的偏振面在磁場中的旋轉(zhuǎn)。 第3頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四、電磁感應(yīng)現(xiàn)象1）、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1820年，Oersted發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)1831年11月24日，F(xiàn)araday發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象1834年，Lenz在分析實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了判斷感應(yīng)電流分向的法則1845年，Neumann借助于安培的分析，從矢勢的角度推出了電磁感應(yīng)電律的數(shù)學(xué)形式。第4頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四一 電磁感應(yīng)現(xiàn)象第5頁，共47頁，2022年，5月2

3、0日，19點24分，星期四 當穿過閉合回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且感應(yīng)電動勢正比于磁通量對時間變化率的負值.二 電磁感應(yīng)定律國際單位制韋伯伏特第6頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四2）、電磁感應(yīng)的幾個典型實驗感應(yīng)電流與N-S的磁性、速度有關(guān)與有無磁介質(zhì)速度、電源極性有關(guān)與有無磁介質(zhì)開關(guān)速度、電源極性有關(guān)第7頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四感生電流與磁感應(yīng)強度的大小、方向，與截面積S變化大小有關(guān)。感生電流與磁感應(yīng)強度的大小、方向，與線圈轉(zhuǎn)動角速度大小方向有關(guān)。通過一個閉合回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時，不管這種變

4、化是由什么原因引起的，回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。感應(yīng)電流：由于通過回路中的磁通量發(fā)生變化，而在回路中產(chǎn)生的電流。感應(yīng)電動勢：由于磁通量的變化而產(chǎn)生的電動勢叫感應(yīng)電動勢。3）、結(jié)論第8頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四、法拉第電磁感應(yīng)定律單位:1V=1Wb/s 與 L 反向 與L 同向2）、電動勢方向:1）、內(nèi)容：當穿過閉合回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時，不論這種變化是什么原因引起的，回路中都有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，并且感應(yīng)電動勢正比于磁通量對時間變化率的負值。負號表示感應(yīng)電動勢總是反抗磁通的變化第9頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期

5、四確定回路繞行方向；規(guī)定電動勢的方向與回路的繞行方向一致時為正。根據(jù)回路的繞行方向，按右手螺旋法則定出回路所包圍面積的正法線方向；在根據(jù)回路所包圍面積的正法線方向，確定磁通量的正負；根據(jù)磁通量變化率的正負來確定感應(yīng)電動勢的方向。第10頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四第11頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四磁通鏈數(shù):3、討論：若有N匝線圈，它們彼此串聯(lián)，總電動勢等于各匝線圈所產(chǎn)生的電動勢之和。令每匝的磁通量為 1、 2 、 3 若每匝磁通量相同第12頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四閉合回路中的感應(yīng)電流感應(yīng)電量t1時刻磁通

6、量為1，t2時刻磁通量為2回路中的感應(yīng)電量只與磁通量的變化有關(guān)，而與磁通量的變化率無關(guān)。用途：測磁通計。第13頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四、楞次定律楞次（Lenz,Heinrich Friedrich Emil） 楞次是俄國物理學(xué)家和地球物理學(xué)家，生于愛沙尼亞的多爾帕特。早年曾參加地球物理觀測活動，發(fā)現(xiàn)并正確解釋了大西洋、太平洋、印度洋海水含鹽量不同的現(xiàn)象，1845年倡導(dǎo)組織了俄國地球物理學(xué)會。1836年至1865年任圣彼得堡大學(xué)教授，兼任海軍和師范等院校物理學(xué)教授。楞次主要從事電學(xué)的研究。楞次定律對充實、完善電磁感應(yīng)規(guī)律是一大貢獻。1842年，楞次還和焦耳各自獨

7、立地確定了電流熱效應(yīng)的規(guī)律，這就是大家熟知的焦耳楞次定律。他還定量地比較了不同金屬線的電阻率，確定了電阻率與溫度的關(guān)系；并建立了電磁鐵吸力正比于磁化電流二次方的定律。第14頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四1、內(nèi)容：閉合回路中感應(yīng)電流的方向總是使得它所激發(fā)的磁場來阻止引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。1834年楞次提出一種判斷感應(yīng)電流的方法，再由感應(yīng)電流來判斷感應(yīng)電動勢的方向。演示第15頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四2、應(yīng)用：判斷感應(yīng)電動勢的方向問題：將磁鐵插入非金屬環(huán)中，環(huán)內(nèi)有無感生電動勢？有無感應(yīng)電流？環(huán)內(nèi)將發(fā)生何種現(xiàn)象有感生電動勢存在，有電場

8、存在將引起介質(zhì)極化，而無感生電流。非金屬環(huán)第16頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用、電磁流量計、渦電流第17頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四渦電流1）、渦電流大塊導(dǎo)體處在變化磁場中，或者相對于磁場運動時，在導(dǎo)體內(nèi)部也會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這些感應(yīng)電流在大塊導(dǎo)體內(nèi)的電流流線呈閉合的渦旋狀，被稱為渦電流或渦流。2）、渦流的熱效應(yīng)電阻小，電流大，能夠產(chǎn)生大量的熱量。3）、應(yīng)用高頻感應(yīng)爐加熱真空無按觸加熱第18頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四4）、渦流的阻尼作用當鋁片擺動時，穿過運動鋁片的磁通量是變化的，鋁片內(nèi)

9、將產(chǎn)生渦流。根據(jù)楞次定律感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。因此鋁片的擺動會受到阻滯而停止，這就是電磁阻尼。應(yīng)用：電磁儀表中使用的阻尼電鍵 電氣火車中的電磁制動器5）、渦流的防止用相互絕緣疊合起來的、電阻率較高的硅鋼片代替整塊鐵芯，并使硅鋼片平面與磁感應(yīng)線平行；選用電阻率較高的材料做鐵心。第19頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四、電子感應(yīng)加速器原理：在電磁鐵的兩磁極間放一個真空室，電磁鐵是由交流電來激磁的。當磁場發(fā)生變化時，兩極間任意閉合回路的磁通發(fā)生變化，激起感生電場，電子在感生電場的作用下被加速，電子在Lorentz力作用下將在環(huán)形室內(nèi)沿圓周軌道運動。第20頁

10、，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四、交流發(fā)是電機原理：面積為S的線圈有N匝，放在均勻磁場B中，可繞OO軸轉(zhuǎn)動，若線圈轉(zhuǎn)動的角速度為，求線圈中的感應(yīng)電動勢。 解：設(shè)在t=0時，線圈平面的正法線n方向與磁感應(yīng)強度B的方向平行，那么，在時刻t，n與B之間的夾角=t，此時，穿過匝線圈的磁通量為： 由電磁感應(yīng)定律可得線圈中的感應(yīng)電動勢為： 令m=NB，則 i=msint令=2f，則 i=msin2fti 為時間的正弦函數(shù)，為正弦交流電，簡稱交流電。 演示第21頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四閉合回路，電流為I，回路形狀不變，沒有鐵磁質(zhì)時，根據(jù)Biot-Sa

11、vart定律，B I，F(xiàn) =BS，則有 F=LI 稱 L為自感系數(shù),簡稱自感或電感。單位：亨利、H當一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所激發(fā)的磁場穿過線圈自身的磁通量發(fā)生變化，從而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，相應(yīng)的電動勢稱為自感電動勢。1、自感現(xiàn)象物理意義：一個線圈中通有單位電流時，通過線圈自身的磁通鏈數(shù)，等于該線圈的自感系數(shù)。2、自感系數(shù)若回路由N匝線圈串聯(lián)而成磁鏈三、自感應(yīng)（一）自感現(xiàn)象和自感系數(shù)第22頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四電流強度變化率為一個單位時，在這個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢等于該線圈的自感系數(shù)。3、自感電動勢自感電動勢的方向總是要使

12、它阻礙回路本身電流的變化。、自感現(xiàn)象的利弊有利的一方面：扼流圈鎮(zhèn)流器，共振電路，濾波電路不利的一方面：(1)斷開大電流電路，會產(chǎn)生強烈的電弧；(2)大電流可能因自感現(xiàn)象而引起事故。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四亨利(Henry,Joseph 1797-1878）美國物理學(xué)家，1832年受聘為新澤西學(xué)院物理學(xué)教授，1846年任華盛頓史密森研究院首任院長，1867年被選為美國國家科學(xué)院院長。他在1830年觀察到自感現(xiàn)象，直到1932年7月才將題為長螺線管中的電自感的論文，發(fā)表在美國科學(xué)雜志上。亨利與法拉第是各自獨立地發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的，但發(fā)表稍晚些。強力實用的電磁鐵繼

13、電器是亨利發(fā)明的，他還指導(dǎo)莫爾斯發(fā)明了第一架實用電報機。 亨利的貢獻很大，只是有的沒有立即發(fā)表，因而失去了許多發(fā)明的專利權(quán)和發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)。但人們沒有忘記這些杰出的貢獻，為了紀念亨利，用他的名字命名了自感系數(shù)和互感系數(shù)的單位，簡稱“亨”。第24頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四為時間常數(shù)K與1相連，電路中出現(xiàn)電流。由于電流變化從而在回路中出現(xiàn)自感電動勢利用初始條件令一、電流的增加II0t電流極大值當當（二） RL電路的暫態(tài)過程第25頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四當電流得到極大值時，開關(guān)與2接通，此時電路中的電流衰減自感的作用將使電路中的電流不會

14、瞬間突變。從開始變化到趨于恒定狀態(tài)的過程叫暫態(tài)過程。時間常數(shù)表征該過程的快慢。當 t 大于 的若干倍以后，暫態(tài)過程基本結(jié)束。當t=t 時，I=0.37e/R；當t=3t 時，I=0.05e/R 當t=5t 時，I=0.007e/R二、電流的衰減II0t第26頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四四、磁場的能量第27頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四一、線圈的能量載流線圈具有能量磁能。電容器充電以后儲存了能量，播放動畫 線圈中的能量，是由于線圈在通電過程中，電流克服自感電動勢作功，使線圈具有能量。在 dt 時間內(nèi)，電流 i 克服線圈中自感電動勢作的元功

15、為：某一時刻自感電動勢為：則當極板電壓為U時儲能為：第28頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四則線圈中電流從 0 變化到 I 過程中電流作的總功為：外力所作功轉(zhuǎn)換為儲存于線圈中的磁能。 當切斷電源時，線圈中原已儲存起來的能量通過自感電動勢作功全部釋放出來。因此，具有自感系數(shù)為L的線圈通有電流I時所具有的磁能為：自感電動勢在電流減少過程中所作的功為：第29頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四 長直螺線管中插有磁導(dǎo)率為 的磁介質(zhì)，管內(nèi)磁感應(yīng)強度為：則長直螺線管的自感系數(shù)為：磁場能量為： 按照磁場的近距作用觀點，磁能也是定域在磁場中的。以載流長直螺線管為例

16、：IlSn可以引入磁場能量密度的概念。二、磁場的能量第30頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四IlSn由磁場的能量只與磁場和磁場分布的空間有關(guān)。上式還可以寫成： 磁場能量只能反映空間體積 V 內(nèi)的總能量，不能反映磁場的能量分布情況。須引入描寫磁場分布的物理量-能量密度。能量密度wm：單位體積內(nèi)的磁場能量。第31頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四可以證明它對磁場是普遍成立的。由能量密度計算任意一個磁場的能量：1）.先確定體積元內(nèi)的磁場能量，2）.再計算體積V體內(nèi)的磁場能量，積分應(yīng)遍及磁場存在的全空間。說明：載流線圈的磁場能量可以用公式 ， 也可以用磁

17、場能量密度公式對空間求積分計算。在已知自感系數(shù)的情況下，應(yīng)用第一種公式計算較為簡單。 第32頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四lIR例： 計算半徑為 R、長為 l、通有電流 I 、磁導(dǎo)率為 的均勻載流圓柱導(dǎo)體內(nèi)磁場能量。導(dǎo)體內(nèi)沿磁力線作半徑為 r 的環(huán)路，解：由介質(zhì)中安培環(huán)路定理確定導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度 B ，r根據(jù)安培環(huán)路定理：其中：第33頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四lRr將圓柱導(dǎo)體分割為無限多長為 l 厚度為dr 的同軸圓柱面，dr體積元處的磁場能量密度為：體積元體積為：導(dǎo)體內(nèi)的磁場能量為：第34頁，共47頁，2022年，5月20日，19

18、點24分，星期四麥克斯韋電磁場方程組 五、電磁場與電磁波第35頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四麥克斯韋（James Clerk Maxwell 18311879)19世紀偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。經(jīng)典電磁理論的奠基人，氣體動理論的創(chuàng)始人之一。 他提出了有旋電場和位移電流概念，建立了經(jīng)典電磁理論，并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在。他的電磁學(xué)通論與牛頓時代的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理并駕齊驅(qū)，它是人類探索電磁規(guī)律的一個里程碑。在氣體動理論方面，他還提出氣體分子按速率分布的統(tǒng)計規(guī)律。位移電流、電磁場基本方程的積分形式第36頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四

19、+一 電磁波的產(chǎn)生與傳播 變化的電磁場在空間以一定的速度傳播就形成電磁波.-+振蕩電偶極子+-第37頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四不同時刻振蕩電偶極子附近的電場線+-振蕩電偶極子附近的電磁場線第38頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四極軸傳播方向第39頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四平面電磁波第40頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四二 電磁波的特性 1）電磁波是橫波 , ; 2） 和 同相位 ; 3） 和 數(shù)值成比例 ； 4）電磁波傳播速度 , 真空中波速等于光速 .第41頁，共47頁，2022年，5月20日，19點24分，星期四三 電磁波的能量輻射能 ： 以電磁波的形式傳播出去的能量. 電磁波的能流密度 電磁場能量密度 又 電磁波的能流密度（坡印廷）矢量 第42頁，共47頁，2022年，5月20日，