電磁感應(yīng)電磁場

1、電磁感應(yīng)電磁場第1頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 8-0 第八章教學(xué)基本要求 8-1 電磁感應(yīng)的基本定律 8-2 動生電動勢 第八章 電磁感應(yīng) 電磁場 8-3 自感 磁場的能量 *8-4 位移電流 麥克斯韋方程組第2頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五教學(xué)基本要求 一 理解電動勢的概念.二 掌握法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律, 并會用于計算感應(yīng)電動勢的大小和判斷感應(yīng)電動勢的指向. 三 理解動生電動勢, 能計算簡單情況中的動生電動勢.四 了解感生電動勢和動生電動勢的概念.五 了解自感現(xiàn)象和自感系數(shù).六 了解自感磁能公式, 了解磁場能量密度概念和磁場能量

2、計算方法.七了解位移電流的概念, 了解麥克斯韋關(guān)于電磁場的基本概念和麥克斯韋方程組的積分形式及其物理意義.第3頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五8-1 電磁感應(yīng)的基本定律預(yù)習(xí)要點領(lǐng)會電源電動勢的定義及其物理意義，弄清電動勢指向的規(guī)定.領(lǐng)會楞次定律及其物理實質(zhì)，注意應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電動勢指向的方法.什么是法拉第電磁感應(yīng)定律及其數(shù)學(xué)表達式.第4頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五英國物理學(xué)家和化學(xué)家，電磁理論的創(chuàng)始人之一.他創(chuàng)造性地提出場的思想，最早引入磁場這一名稱. 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，及光的偏振面

3、在磁場中的旋轉(zhuǎn).法拉第（Michael Faraday， 17911867）第5頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五通過一個閉合回路的磁通量發(fā)生變化時， 回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生該現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，相應(yīng)的電動勢為感應(yīng)電動勢。電磁感應(yīng)現(xiàn)象：回路某一部分相對磁場運動或回路發(fā)生形變使回路中磁通量變化而產(chǎn)生電流回路靜止而磁場變化使回路中磁通量變化而產(chǎn)生電流兩種情況：第6頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 在閉合電路中形成和維持穩(wěn)恒電流，要求閉合回路中有直流電源。電源的正、負之間存在一定的電勢差，使得正電荷在靜電力作用下通過外電路從正極

4、流向負極。如不及時給正極補充正電荷，電源兩極之間的電勢差就會下降。電源的作用是迫使正電荷從負極通過內(nèi)電路不斷向正極運動，以補充正極上減少的正電荷，從而維持正負極之間的電勢差不變，在閉合電路中形成穩(wěn)恒電流。一 電動勢 靜電力不可能驅(qū)使正電荷從電源負極向正極運動。電源能夠提供某種非靜電力，以驅(qū)使正電荷逆著電場力的方向運動。第7頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五1.電源、非靜電力+如圖，在導(dǎo)體中有穩(wěn)恒電流流動就不能單靠靜電場，必須有非靜電力把正電荷從負極板搬到正極板才能在導(dǎo)體兩端維持有穩(wěn)恒的電勢差，在導(dǎo)體中有穩(wěn)恒的電場及穩(wěn)恒的電流。* 提供非靜電力的裝置就是電源，如化學(xué)電池、硅

5、（硒）太陽能電池，發(fā)電機等。實際上電源是把能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。水池泵靜電力欲使正電荷從高電位到低電位。非靜電力欲使正電荷從低電位到高電位。第8頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 將其它形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置. 描寫電源將其它形式能量轉(zhuǎn)變成電能的能力. 電源把單位正電荷從負極經(jīng)過電源內(nèi)部移到正極時，非靜電力所作的功.1 電源2 電動勢3 電源電動勢 當(dāng)電荷q在含有電源的閉合電路內(nèi)環(huán)繞一周時，電源中非靜電力所做的功為第9頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五電源內(nèi)部電流從負極板到正極板叫內(nèi)電路。電源外部電流從正極板到負極板叫外電路。非靜電力只在電源內(nèi)部

6、存在，在外電路非靜電力 所以非靜電力只在內(nèi)電路做功，在外電路不做功。仿照靜電場強，用 表示單位正電荷在電源中所受非靜電力，并將 稱為非靜電性場強或電源電動勢的定義式：即電源電動勢等于將單位正電荷繞含有電源的閉合電路移動一周，電源中非靜電力所作的功，或簡單說，電源的電動勢等于非靜電性場強在閉合電路上的環(huán)流。第10頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五* 越大表示電源將其它形式能量轉(zhuǎn)換為電能的本領(lǐng)越大。其大小與電源結(jié)構(gòu)有關(guān)，與外電路無關(guān)。 電動勢是標(biāo)量，為了處理問題方便，通常規(guī)定電動勢的指向是從電源負極經(jīng)內(nèi)電路指向電源的正極。在內(nèi)電路，電動勢的指向就是電勢升高的方向。第11頁，共

7、38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五二楞次定律 閉合回路的感應(yīng)電流的方向，總是企圖使感應(yīng)電流本身所產(chǎn)生的通過回路面積的磁通量, 去補償或者反抗引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的方法:.回路中是增加還是減少.由楞次定律確定感 方向.由感確定 B感 方向.由右手定則判定 I感 方向 (I感和感成右手螺旋關(guān)系) NSNS第12頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五NS用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向NS第13頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 當(dāng)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

8、量對時間變化率的負值.國際單位制韋 伯伏 特三 法拉第電磁感應(yīng)定律第14頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 感應(yīng)電動勢的大小正比于通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率.在 SI 制中 k =1N匝線圈時磁通匝數(shù)（磁鏈）第15頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五（2）若閉合回路的電阻為 R ，感應(yīng)電流為那么t1 t2 時間內(nèi)通過導(dǎo)線上任一截面的感應(yīng)電量大小為式中 是t1 , t2 時刻回路中的磁通。 感應(yīng)電荷與通過回路面積的磁通量的增量的大小成正比，而與磁通量變化的快慢無關(guān)第16頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 例 試證明在均勻磁場 中，

9、面積為為 S、匝數(shù)為N的線圈以角速度 繞垂直于 的軸線勻速轉(zhuǎn)動時，(1) 線圈中的感應(yīng)電動勢按正弦規(guī)律變化; (2) 若線圈自成閉合回路, 電阻為R , 則在一周內(nèi)外力矩所做的功等于感應(yīng)電流所放出的焦耳熱 .解(1) 在任一時刻t第17頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五令(2)感應(yīng)電流放出的焦耳熱為線圈所受磁場的作用力矩的大小為第18頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五外力矩所做的功 即在一周內(nèi)外力矩所做的功等于感應(yīng)電流所放出的焦耳熱, 可見在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中是遵從能量守恒定律的.第19頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五8-2 動生

10、電動勢 *渦旋電場預(yù)習(xí)要點什么叫動生電動勢? 什么叫感生電動勢? 注意動生電動勢產(chǎn)生的原因和數(shù)學(xué)表達式.麥克斯韋關(guān)于渦旋電場的假設(shè)是什么? 渦旋電場有什么特點?感生電動勢的產(chǎn)生原因是什么?第20頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 電動勢+-I 閉合電路的總電動勢 : 非靜電的電場強度.第21頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五一 動生電動勢 1）穩(wěn)恒磁場中的導(dǎo)體運動 2）導(dǎo)體不動，磁場變化動生電動勢感生電動勢引起磁通量變化的原因 vab 導(dǎo)體回路置于均勻磁場中，磁場垂直于回路平面，回路的ab部分可自由滑動。當(dāng)ab 以速度v 向右平行滑動時，回路所圍面積

11、的磁通量也不斷增大，回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。導(dǎo)體ab在磁場中運動，因而是動生電動勢。第22頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五 vab 在磁場中,導(dǎo)體棒以v 沿金屬導(dǎo)軌向右運動,棒內(nèi)的自由電子被帶著以速度v向右運動，因而每個自由電子都受到洛倫茲力的作用. 當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動時內(nèi)部的電荷所受的洛侖茲力 Fm 為非靜電力，它將電荷從低電位移到高電位.動生電動勢的產(chǎn)生可用洛倫茲力來說明。電荷所受的洛侖茲力:第23頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五電荷所受的洛侖茲力:電動勢的定義是移動單位正電荷做的功ab段中的非靜電性場強為:第24頁，共38頁，2022年，5

12、月20日，6點53分，星期五*三 渦旋電場 麥克斯韋爾假設(shè) 變化的磁場在其周圍空間激發(fā)一種電場,這個電場叫感生電場 .閉合回路中的感生電動勢第25頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五8-3 自感 *互感 磁場的能量 預(yù)習(xí)要點什么是自感現(xiàn)象? 自感電動勢如何計算? 怎樣判斷它的指向? 自感系數(shù)的物理意義是什么?什么是互感現(xiàn)象? 互感電動勢怎樣計算? 互感系數(shù)的物理意義是什么?注意磁場能量體密度公式及有限體積內(nèi)磁場能量的計算方法.第26頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五一 自感電動勢 當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時，線圈中的磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生自感電動勢.

13、自感系數(shù)寫成等式： 由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：而線圈的磁鏈與線圈中的電流I成正比定義1 自感系數(shù)第27頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五單位：亨利:H毫亨: mH1H=103mH 自感系數(shù)與線圈的大小、形狀、磁介質(zhì)、線圈密度有關(guān)，而與線圈中電流無關(guān).當(dāng)線圈自感系數(shù)不變時，2 自感電動勢自感電動勢第28頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五例:一長直螺線管，線圈匝數(shù)為N，長度為l，橫截面積為S，插有磁導(dǎo)率為 的磁介質(zhì)，求線圈的自感系數(shù)L.解:第29頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五三 磁場能量L為電源作功為電源反抗自感電動勢作的功為回

14、路電阻所放出的焦耳熱由閉合電路的歐姆定律第30頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五磁場能量密度磁場能量自感線圈磁能第31頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五例：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：第32頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五將圓柱導(dǎo)體分割為無限多長為l厚度為dr的同軸圓柱面磁場能量密度為：體積元體積為：lRrdr導(dǎo)體內(nèi)的磁場能量為：第33頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五*8-4 位移電流 麥克斯韋方程組第34頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五一 兩類電場靜電場和渦旋電場靜電場感應(yīng)場統(tǒng)一的電場第35頁，共38頁，2022年，5月20日，6點53分，星期五二 傳導(dǎo)電流和位移電流以 L 為邊做任意曲面 S1和S2穩(wěn)恒磁場中, 安培環(huán)路定理+-I 由此看出對于同一個環(huán)路L，由于對環(huán)路所張的曲面不同，所得到的結(jié)果也不同. 麥克斯韋假設(shè): 電場中某一點位