高中物理競賽-電磁學(xué)篇(基礎(chǔ)版)40感生電動勢、自感和互感-(共24張)課件

1、2020物理競賽感生電動勢、自感與互感 13-2 動生電動勢和感生電動勢（下）13-3 自感與互感13-4 RL電路2020物理競賽感生電動勢、自感與互感 13-2 動生電動復(fù) 習(xí)電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)的基本現(xiàn)象法拉第電磁感應(yīng)定律楞次定律動生電動勢和感生電動勢動生電動勢復(fù) 習(xí)電磁感應(yīng)定律二、感生電動勢由于磁場的變化而在回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為感生電動勢.1、感生電動勢2、感生電場變化的磁場在其周圍空間激發(fā)的一種能夠產(chǎn)生感生電動勢的電場，這種電場叫做感生電場，或渦旋電場。3、感生電場與變化磁場的關(guān)系電源電動勢的定義電磁感應(yīng)定律k二、感生電動勢由于磁場的變化而在回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為感感生電場

2、的電場線是無頭無尾的閉合曲線，所以又叫渦旋電場。感生電場和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化連在一起。變化的磁場和它所激發(fā)的感生電場，在方向上滿足反右手螺旋關(guān)系左手螺旋關(guān)系。 感生電場與靜電場相比相同處：對電荷都有作用力。若有導(dǎo)體存在都能形成電流不相同處：渦旋電場不是由電荷激發(fā)，是由變化磁場激發(fā)。渦旋電場電場線不是有頭有尾，是閉合曲線。4、說明：k5、感生電動勢的計算： 感生電場的電場線是無頭無尾的閉合曲線，所以又叫渦旋電場。感生例1設(shè)空間有磁場存在的圓柱形區(qū)域的半徑為R=5cm，磁感應(yīng)強(qiáng)度對時間的變化率為dB/dt=0.2T/s，試計算離開軸線的距離r等于2cm、5cm及10cm處的渦旋電場。 解：如圖所示，

3、以為半徑r作一圓形閉合回路L，根據(jù)磁場分布的軸對稱性和感生電場的電場線呈閉合曲線特點，可知回路上感生電場的電場線處在垂直于軸線的平面內(nèi)，它們是以軸為圓心的一系列同心圓，同一同心圓上任一點的感生電場的Ek大小相等，并且方向必然與回路相切。于是沿L取Ek的線積分，有： 若rR，則 例1設(shè)空間有磁場存在的圓柱形區(qū)域的半徑為R=5cm，磁感應(yīng)故本題的結(jié)果為：r=2cm時 r=5cm時， r=10cm時 若rR，則 故本題的結(jié)果為：r=2cm時 r=5cm時， r=10cm時三、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(dāng)磁場發(fā)生變化時，兩極間任意閉合回路的磁通發(fā)生變

4、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(yùn)動。三、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，電磁軌道環(huán)內(nèi)的磁場等于它圍繞面積內(nèi)磁場平均值的一半。只在第一個1/4周期內(nèi)對電子加速軌道環(huán)內(nèi)的磁場等于它圍繞面積內(nèi)磁場平均值的一半。只在第一個1四、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(yùn)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四、渦電流1、渦電流大塊導(dǎo)體處在變化磁場中，

5、或者相對于磁場運(yùn)4、渦流的阻尼作用當(dāng)鋁片擺動時，穿過運(yùn)動鋁片的磁通量是變化的，鋁片內(nèi)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。4、渦流的阻尼作用當(dāng)鋁片擺動時，穿過運(yùn)動鋁片的磁通量是變化的133 自感與互感閉合回路，電流為I，回路形狀不變，沒有鐵磁質(zhì)時，根據(jù)Biot-Savart定律，B I，F(xiàn) =BS，則有 F=LI 稱 L為自感系數(shù),簡稱自感或

6、電感。單位：亨利、H當(dāng)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)一、自感電動勢 自感若回路由N匝線圈串聯(lián)而成磁鏈133 自感與互感閉合回路，電流為I，回路形狀不變，沒有鐵電流強(qiáng)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它阻礙回路本身電流的變化。自感 L有維持原電路狀態(tài)的能力，L就是這種能力大小的量度，它表征回路電磁

7、慣性的大小。4、電磁慣性5、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(qiáng)烈的電弧；(2)大電流可能因自感現(xiàn)象而引起事故。電流強(qiáng)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(dú)立地發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的，但發(fā)表稍晚些。強(qiáng)力實用的電磁鐵繼電器

8、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(jī)。 亨利的貢獻(xiàn)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(xiàn)，為了紀(jì)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”。亨利(Henry,Joseph 1797-1878）美國物理6、自感的計算假設(shè)電流I分布計算F 由L=F/I求出L例1有一長直螺線管，長度為l，橫截面積為S，線圈總匝數(shù)為N，管中介質(zhì)磁導(dǎo)率為m ，試求其自感系數(shù)。解：對于長直螺線管，當(dāng)有電流I通過時，可以把管內(nèi)的磁場看作是均勻的，其磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為：穿過螺線管的磁通量等于自感系數(shù)為令V=Sl為螺線管的體積增大L的方

9、法：(1)n大 (2)m大6、自感的計算假設(shè)電流I分布例1有一長直螺線管，長度為l，例2：計算同軸電纜單位長度的自感。電纜單位長度的自感:解：根據(jù)對稱性和安培環(huán)路定理，在內(nèi)圓筒和外圓筒外的空間磁場為零。兩圓筒間磁場為考慮 l長電纜通過面元 ldr 的磁通量為l例2：計算同軸電纜單位長度的自感。電纜單位長度的自感:解：根二、互感電動勢 互感 1、互感現(xiàn)象當(dāng)線圈 1中的電流變化時，所激發(fā)的磁場會在它鄰近的另一個線圈 2 中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。該電動勢叫互感電動勢。線圈1所激發(fā)的磁場通過線圈2的磁通量互感電動勢與線圈電流變化快慢有關(guān)；與兩個線圈結(jié)構(gòu)以及它們之間的相對位置和磁介質(zhì)的分

10、布有關(guān)。22、互感系數(shù)線圈2所激發(fā)的磁場通過線圈1的磁通量M12，M21叫互感系數(shù)，與線圈形狀、大小、匝數(shù)、相對位置以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。理論和實驗證明： M12=M211二、互感電動勢 互感 1、互感現(xiàn)象當(dāng)線圈 1中的電流變化時互感系數(shù)在數(shù)值上等于其中一個線圈中的電流為單位時，穿過另一線圈面積的磁通量。單位：亨利（H）13、互感電動勢說明：(1) 互感系數(shù)M在數(shù)值上等于一個線圈中的電流隨時間的變化率為一個單位時，在另一個線圈中所引起的互感電動勢的絕對值；(2)負(fù)號表明，在一個線圈中所引起的互感電動勢要反抗另一線圈中電流的變化；(3) 互感系數(shù)M是表征互感強(qiáng)弱的物理量，是兩個電路耦合程度的

11、量度。2互感系數(shù)在數(shù)值上等于其中一個線圈中的電流為單位時，穿過另一線4、應(yīng)用互感器：通過互感線圈能夠使能量或信號由一個線圈方便地傳遞到另一個線圈。電工、無線電技術(shù)中使用的各種變壓器都是互感器件。常見的有電力變壓器、中周變壓器、輸入輸出變壓器、電壓互感器和電流互感器。 電壓互感器電流互感器感應(yīng)圈5、互感的計算假設(shè)一個線圈電流I分布計算該線圈產(chǎn)生的磁場在另一線圈產(chǎn)生的磁通量F 由L=F/I求出互感系數(shù)4、應(yīng)用互感器：通過互感線圈能夠使能量或信號由一個線圈方便地例3：計算同軸螺旋管的互感。解：假設(shè)在長直線管1上通過的電流為I1，則螺線管內(nèi)中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：根據(jù)互感系數(shù)的定義可得：設(shè)有兩個一長度均為

12、l、橫截面積為S，匝線分別為N1和N2的同軸長直密繞螺線管，試計算它們的互感系數(shù)（管內(nèi)充滿磁導(dǎo)率為 的磁介質(zhì)）。穿過N2匝線圈的總磁通量為：例3：計算同軸螺旋管的互感。解：假設(shè)在長直線管1上通過的電流 k叫做耦合系數(shù)，0 k1，其值與線圈的相對位置有關(guān)。以上是無漏磁情況下推導(dǎo)的，即彼此磁場完全穿過。當(dāng)有漏磁時:討論：線圈1的自感系數(shù)：線圈2的自感系數(shù)： k叫做耦合系數(shù)，0 k1，其值與線圈的相對位置有關(guān)。以134 RL電路為時間常數(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(dāng)當(dāng)演示134 RL電路為時間常數(shù)K與1相連，電路中出現(xiàn)電流。由當(dāng)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(dāng) t 大于 的若干倍以后，暫態(tài)過程基本結(jié)束。當(dāng)t=t 時，I=0.3