第十二章電磁感應(yīng)物理

第十二章電磁感應(yīng)電磁場§12-1法拉第電磁感應(yīng)定律1820年：奧斯特：電流（運動電荷）磁可能？條件？1822年：法拉第：磁電1831年：制造出電動機、發(fā)動機（促成第二次工業(yè)革命）(電磁感應(yīng)定律）一、電磁感應(yīng)的基本現(xiàn)象實驗表明：穿過線圈所包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，在回路中將產(chǎn)生的電流，該電流稱為感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)二、法拉第電磁感應(yīng)定律結(jié)束式中的“∝ddtieΦ在SI制中比例系數(shù)為1”號是楞次定律的數(shù)學(xué)表達。討論：1.楞次定律閉合回路中感應(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。2.感應(yīng)電流：3.感應(yīng)電荷：4.磁通鏈數(shù):若有N匝線圈，它們彼此串聯(lián)，每匝的磁通量為1、2、3按引起磁通量變化的原因不同,電動勢可分為:動生電動勢：由于導(dǎo)線和磁場相對運動所產(chǎn)生的電動勢感生電動勢：由于磁場隨時間變化所產(chǎn)生的電動勢法拉第電磁感應(yīng)定律按引起磁通量變化的原因不同,電動勢可分為:動生電動勢：由于導(dǎo)線和磁場相對運動所產(chǎn)生的電動勢感生電動勢：由于磁場隨時間變化所產(chǎn)生的電動勢+++++++++++++++B+++++§12-1動生電動勢和感生電動勢一、動生電動勢非靜電場場強：動生電動勢：++++++++++++++++++++++++BV++++vEk其中為非靜電性電場的場強由電動勢定義：對于動生電動勢，非靜電力為洛侖茲力解：由動生電動勢定義即：

[例12-4]一金屬桿在勻強磁場中轉(zhuǎn)動，已知：B，ω，L。求：動生電動勢。++++++++++++++++++++++++++++++Oω++++++++++++vB+++++++++++Lv×Bdll<0可視為無數(shù)一端在圓心，另一端在圓周上的銅棒的并聯(lián)，因此其電動勢類似于一根銅棒繞其一端旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電動勢?！ɡ陔姍C※如果金屬棒改為半徑為L的金屬圓盤轉(zhuǎn)動，盤中心和邊緣之間的電勢差。>0R例：Iabl0dlx=0Iabl0Rdx*ab向上運動：<0——交變電動勢※線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時的感應(yīng)電動勢NSabcdl+.daBθvωNS解:設(shè)t=0時,線圈法向與B同向則t時刻:法拉第電磁感應(yīng)定律*電動勢：kE——非靜電性電場的場強*法拉第電磁感應(yīng)定律在外磁場中運動的導(dǎo)線內(nèi)電荷受洛倫茲力作用，產(chǎn)生動生電動勢++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++BV二、感生電場和感生電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的非靜電力是什么？當回路1中電流發(fā)生變化時，在回路2中出現(xiàn)感應(yīng)電動勢回路2電池BATTERY010203040G回路11.實驗現(xiàn)象3.感生電場法拉第電磁感應(yīng)定律電源電動勢的定義比較有旋電場2.麥克斯韋

的假說：

變化的磁場在其周圍空間激發(fā)一種電場，它提供一種非靜電力能產(chǎn)生。這電場叫做感生電場BtE感??返回結(jié)束感生電場的電場線是無頭無尾的閉合曲線，類似于磁感應(yīng)線。感E××××××××××××××××××××××××××××××××BRB感E××××××××××××××××××××××××××××××××BRB無限長螺線管4.感生電場與靜電場比較：

(1)靜電場是由靜止電荷產(chǎn)生的，感生電場是由變化磁場產(chǎn)生的。共同處:都是電場,對電荷都有力的作用不共同處:(2)

靜電場的電場線是“有頭有尾”的，感生電場的電場線是一組閉合曲線。

(3)

靜電場是有勢無旋場——感生電場是有旋無勢場——解：例12-6如圖所示，在半徑R的無限長螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強度的大小隨時間而增長，且，求管內(nèi)外感生電場的分布?！痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢痢罛RBLr感E××××××××××××××××Br××R感EL感生電動勢方向例12-7、在圓柱形的均勻磁場中，若，柱內(nèi)直導(dǎo)線的長度為L，且距圓心垂直距離為h。求此直導(dǎo)線ab上的感生電動勢。B××××××××××××××××××××××××××××××Lhab解：方法一由電動勢的定義求解E感θdllθr解：方法二由法拉第定律求解，作假想回路oaboLB××××××××××××××××××××××××××××××habo由楞次定律：感生電動勢方向：逆時針方向變化的磁場作用于電荷感生電場產(chǎn)生感生電動勢有旋無勢場*無限長螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強度的大小隨時間線性變化例:ROBrvabrvab其中:ab>0<0ROBrvab另解:例:vI=kt(k>0)abcdl1l2hxdx帶電粒子束N線圈S鐵芯接振蕩器環(huán)形真空室回旋加速器最終速度如何使電子維持在恒定的圓形軌道上加速？條件:Br隨電子動量mv增加而增加Fm電子運行的軌道——-環(huán)形真空室中半徑為r的圓形。E感電子-電子束軌道當磁場發(fā)生變化時，就會沿管道方向產(chǎn)生感應(yīng)電場,射入的電子被加速。磁場垂直向下增大=恒量？鐵芯線圈電束子

環(huán)形真空室B磁場三、電子感應(yīng)加速器軌道上的磁感應(yīng)強度等于軌道內(nèi)磁感應(yīng)強度平均值的一半FmEm電子-Bt10-3~10-2s感生電場方向電子被加速Fm為向心力電子被減速FmEm電子-§12-3自感和互感一、自感應(yīng)

1.自感現(xiàn)象——由于回路自身電流的變化，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。該電動勢叫自感電動勢。ΦIL自感系數(shù)單位：亨利（H）如果回路幾何形狀、尺寸不變，周圍無鐵磁性物質(zhì)。實驗指出：ΨIL=則有：2、自感電動勢：Ld=dtI()Ψ=ddtεLddtLIddtL=I若回路幾何形狀、尺寸不變，周圍無鐵磁性物質(zhì)，則：=ddtL0=εLddtLI討論：>ddtI0若：<εL0則：εL與I方向相反，1).若：ddtI<0εL>0則：εL與I方向相同，

表明：L

的存在總是阻礙電流的變化，

L

是電磁慣性的一種表現(xiàn)。2).自感系數(shù)決定于回路的幾何形狀、尺寸以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率。長直密繞螺線管:例12—9當有一長直密繞螺線管，長度為l，橫截面積為S，線圈的總匝數(shù)N，管中介質(zhì)的磁導(dǎo)率為，試求其自感系數(shù)。解：設(shè)線圈中通有電流I例12-10有兩個“無限長”的同軸圓筒狀的導(dǎo)體所組成的同軸電纜,其間充滿磁導(dǎo)率為的均勻磁介質(zhì),電纜中沿內(nèi)外圓筒流過的電流I大小相同，而方向相反，若內(nèi)外圓筒的半徑分別為R1

和R2

,求電纜單位長度的自感系數(shù)。則兩圓筒之間單位長度的自感為3、自感電路中電流的增長和衰減εLRaa：IεLtIob:IbaItImo0.37Imτ——LR回路的時間常數(shù)或弛豫時間二、互感應(yīng)1、互感現(xiàn)象——當線圈1中的電流變化時,所激發(fā)的磁場會在它鄰近的另個線圈2中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。該電動勢叫互感電動勢。I2I1Φ12Φ21實驗指出：若兩回路幾何形狀、尺寸及相對位置不變，周圍無鐵磁性物質(zhì)。單位：亨利（H）實驗和理論都可以證明：——互感系數(shù)

2、互感電動勢討論：1.互感系數(shù)與兩回路的幾何形狀、尺寸，它們的相對位置，以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。2.互感系數(shù)的大小反映了兩個線圈磁場的相互影響程度。若兩回路幾何形狀、尺寸及相對位置不變，周圍無鐵磁性物質(zhì)。則：=ddtM0例12-11兩個長為l,橫截面積均為S的同軸螺線管,匝數(shù)分別為N1

、N2,管內(nèi)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率為,求:(1)兩線圈的互感系數(shù);(2)兩線圈的自感系數(shù)與互感系數(shù)的關(guān)系.解（1）設(shè)兩線圈分別通有電流I1、I2有漏磁:耦合系數(shù)k

——

與線圈的相對位置有關(guān)。完全耦合（無漏磁）——即彼此磁場完全穿過（2）由無限長螺線管的自感系數(shù)可知例12-13將L1、L2和M兩線圈1和2串聯(lián)，如果兩線圈的磁通互相加強稱為順接；如果兩磁通相互削弱則稱為反接。計算在這兩種接法下兩線圈的等效總自感。（2）反接++--++I（1）順接+--當完全耦合，且L1=L2=L0時順接L=4L0反接L=0

例:(1)abACBI2(2)I1解:設(shè)(1)中通有電流I1ydxx*自感電動勢：*互感電動勢自感系數(shù)——互感系數(shù)

§12-4磁場的能量一、自感儲能:aεILRεL其中：——外電動勢所作之功——電能——消耗在R上的焦耳熱——電源克服εL所作之功——自感磁能Iba消耗在R上的能量：長直螺線管====二、磁場的能量與場量的關(guān)系磁場所儲存的總能量:磁場的能量密度:IIr<R1R1<r<R2

r>R2B=H例.同軸電纜由半徑為R1的圓柱形導(dǎo)體和半徑為R2薄圓筒組成，筒間充滿磁介質(zhì)

求：單位長度的磁能.由IIr<R1R1<r<R2

r>R2J.C.Maxwel英國物理學(xué)家麥克斯韋(1831-1879)§12-5電磁場的理論基礎(chǔ)一、電磁理論的回顧靜電荷磁荷或電流電場磁場無旋有旋有旋？——法拉第電磁感應(yīng)定律——電學(xué)高斯定律——磁學(xué)高斯定律安培環(huán)路定律二、矛盾的出現(xiàn)——電流的連續(xù)性問題包含有電阻、電感線圈的電路中電流是連續(xù)的。RLI問題：在電流非穩(wěn)恒狀態(tài)下安培環(huán)路定律是否正確？三、矛盾的化解——位移電流假說1.被忽視了的事實={I對面0對面考慮一個包含有電容的電路II++++++L—電場變化(1)平行板電容器在回路的充放點過程中:cI放電:cI充電:二極板間:極板上:++++++++(2)++++qDqcI充電:qq++++DcI放電:qq2.位移電流假說(1)定義（2）假說：變化的電場（位移電流）在它周圍也產(chǎn)生磁場，這磁場和等值的傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的磁場完全相等。（3）意義：a)使非穩(wěn)恒條件下電流成為連續(xù)b)揭示了變化電磁場的對稱性,為新理論的建立奠定了基礎(chǔ)—全電流定律四、麥克斯韋電磁場理論（1865年）1.理論的核心思想:在“變化”的情況下,電場和磁場密切不可分割,兩者互為因果,形成統(tǒng)一的客體——電磁場。并預(yù)言電磁波的存在,且推算出電磁波在真空中的傳播速度為：兩個數(shù)據(jù)驚人的吻合，成為光波是電磁波的重要證據(jù)。由實驗測得真空中的光速為:2.理論的數(shù)學(xué)表示——麥克斯韋方程組(積分形式)靜電場穩(wěn)恒磁場3.理論的實驗證實假說是進行科學(xué)研究的一種方法,它可以先于實驗證明,起著探索真理的作用。

1888年赫芝通過實驗證實了電磁波的存在,證明了麥克斯韋電磁場理論的正確感應(yīng)圈諧振接受器發(fā)射器電火花赫茲實驗赫茲實驗裝置（復(fù)制品）正負電荷可以分開——自由電荷能單獨存在正