變化的磁場和變化的電場演示文稿

變化的磁場和變化的電場演示文稿目前一頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)變化的磁場和變化的電場目前二頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)電磁感應(yīng)知識結(jié)構(gòu)變化電場產(chǎn)生磁場變化磁場產(chǎn)生電場位移電流法拉第電磁感應(yīng)定律按產(chǎn)生原因分類按激發(fā)方式分類目前三頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)電流的磁效應(yīng)磁的電效應(yīng)電生磁§10.1電磁感應(yīng)法拉第的實(shí)驗(yàn)：磁鐵與線圈有相對運(yùn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生電流

一線圈電流變化，在附近其它線圈中產(chǎn)生電流電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論當(dāng)穿過一個(gè)閉合導(dǎo)體回路所限定的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就出現(xiàn)感應(yīng)電流變變產(chǎn)生電磁感應(yīng)一.電磁感應(yīng)現(xiàn)象??？目前四頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)二.電動(dòng)勢電源將單位正電荷從電源負(fù)極推向電源正極的過程中，非靜電力所作的功定義

表征了電源非靜電力作功本領(lǐng)的大小反映電源將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電能本領(lǐng)的大小??電動(dòng)勢的性質(zhì)（1）電動(dòng)勢與外電路及電路開、關(guān)無關(guān)（2）電動(dòng)勢的方向從負(fù)極通過電源內(nèi)部指向正極（3）電動(dòng)勢是有正負(fù)的標(biāo)量+-目前五頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)對閉合電路非靜電場可以認(rèn)為：電源在其內(nèi)部建立了一個(gè)非靜電場非靜電場和靜電場一樣對電荷作用，但它僅存在在電源內(nèi)部類比靜電場目前六頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)三.電磁感應(yīng)定律（1）法拉第的實(shí)驗(yàn)規(guī)律表達(dá)式感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與通過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比負(fù)號表示電動(dòng)勢的方向（2）電動(dòng)勢的大?。?）確定電動(dòng)勢的方向的方法I規(guī)定繞行方向L，電動(dòng)勢與該方向一致時(shí)為正，否則為負(fù)II確定的正負(fù)III根據(jù)法拉第定律確定電動(dòng)勢的方向目前七頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)如35LSNSN如-3-5LLSN如53SN如-3-5L目前八頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)(1)若回路是

N匝密繞線圈(2)若閉合回路中電阻為R感應(yīng)電荷討論磁鏈每匝線圈產(chǎn)生的磁通量不同時(shí)，磁鏈如何計(jì)算？思考:非導(dǎo)體回路磁通量變化,是否產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,是否產(chǎn)生感應(yīng)電流？目前九頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)閉合回路中的感應(yīng)電流的方向總是企圖使感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量去補(bǔ)償（反抗）引起感應(yīng)電流的磁通量的變化三.楞次定律1感應(yīng)電流的作用磁通量變化

感應(yīng)電動(dòng)勢感應(yīng)電流感應(yīng)電流也產(chǎn)生磁場磁通量2楞次定律3楞次定律的作用楞次定律主要是用來確定感應(yīng)電動(dòng)勢的方向SN目前十頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例勻強(qiáng)磁場中，導(dǎo)線可在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)線向右運(yùn)動(dòng)時(shí)解在t時(shí)刻回路中感應(yīng)電動(dòng)勢求若磁場變化回路磁通量增加－＞電動(dòng)勢逆時(shí)針方向目前十一頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)兩個(gè)同心圓環(huán)，已知r1<<r2,大線圈中通有電流I,當(dāng)小圓環(huán)繞直徑以

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)解大圓環(huán)在圓心處產(chǎn)生的磁場通過小線圈的磁通量例感應(yīng)電動(dòng)勢求小圓環(huán)中的感應(yīng)電動(dòng)勢目前十二頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)在無限長直載流導(dǎo)線的磁場中，有一運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體線框，導(dǎo)體線框與載流導(dǎo)線共面解通過面積元的磁通量（方向順時(shí)針方向）例求線框中的感應(yīng)電動(dòng)勢目前十三頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)§10.2感應(yīng)電動(dòng)勢本節(jié)主要討論前兩種不同情況

相對于實(shí)驗(yàn)室參照系，若磁場不變，而導(dǎo)體回路運(yùn)動(dòng)（切割磁場線）—

動(dòng)生電動(dòng)勢相對于實(shí)驗(yàn)室參照系，若導(dǎo)體回路靜止，磁場隨時(shí)間變化—感生電動(dòng)勢??磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢可以分為三種情況磁場不變，回路變化磁場變化，回路不變磁場變化，回路變化磁通量變化感應(yīng)電動(dòng)勢目前十四頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)一.動(dòng)生電動(dòng)勢單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線切割的磁場線數(shù)電子受洛倫茲力——非靜電力?非靜電場?+I-x目前十五頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)

動(dòng)生電動(dòng)勢?+-

動(dòng)生電動(dòng)勢的方向方向目前十六頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)應(yīng)用磁場中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線成為電源，非靜電力是洛倫茲力討論(1)注意矢量之間的關(guān)系注意兩個(gè)角度目前十七頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)(2)對于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線回路，電動(dòng)勢存在于整個(gè)回路(法拉第電磁感應(yīng)定律)目前十八頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)(3)感應(yīng)電動(dòng)勢的功率設(shè)電路中感應(yīng)電流為I導(dǎo)線受安培力導(dǎo)線勻速運(yùn)動(dòng)電路中感應(yīng)電動(dòng)勢提供的電能是由外力做功所消耗的機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來的(4)感應(yīng)電動(dòng)勢做功，洛倫茲力不做功？洛倫茲力做功為零目前十九頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例在勻強(qiáng)磁場B

中，長

R

的銅棒繞其一端

O

在垂直于B

的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為

OR求棒上的電動(dòng)勢解方法一(動(dòng)生電動(dòng)勢):dl方向O點(diǎn)電勢高！目前二十頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)ORdl方法二(法拉第電磁感應(yīng)定律):在dt

時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒切割磁場線方向由楞次定律確定目前二十一頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例在半徑為R

的圓形截面區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場

B

，一直導(dǎo)線垂直于磁場方向以速度

v

掃過磁場區(qū)求

當(dāng)導(dǎo)線距區(qū)域中心軸垂直距離為

r

時(shí)的動(dòng)生電動(dòng)勢解方法一：動(dòng)生電動(dòng)勢目前二十二頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)方法二：法拉第電磁感應(yīng)定律在

dt

時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒切割磁場線方向由楞次定律確定目前二十三頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)二.感生電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)磁場變化時(shí)，靜止導(dǎo)體中也出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢麥克斯韋提出：無論有無導(dǎo)體或?qū)w回路，變化的磁場都將在其周圍空間產(chǎn)生具有閉合電場線的電場，并稱此為感生電場或有旋電場1渦旋電場（感生電場或有旋電場）渦旋電場的性質(zhì)：（1）渦旋電場的電力線是閉合線，非保守力場（2）渦旋電場對電荷有力的作用（3）渦旋電場的存在不依賴導(dǎo)體目前二十四頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)渦旋電場力充當(dāng)電源中的非靜電力感生電動(dòng)勢由法拉第定律2感生電動(dòng)勢q在變化磁場激發(fā)的渦旋電場中L當(dāng)q

沿L

繞一周，渦旋電場所作的功目前二十五頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)感生電場與變化磁場之間的關(guān)系討論感生電場與靜電場的比較場源環(huán)流靜電荷變化的磁場通量靜電場為保守場感生電場為非保守場靜電場為有源場感生電場為無源場(閉合電場線)(1)感生電場是無源有旋場(磁生電)目前二十六頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)(2)感生電場與磁場的變化率成左螺旋關(guān)系空間存在變化磁場在空間存在感生電場(3)既有動(dòng)生、又有感生電動(dòng)勢，則總感應(yīng)電動(dòng)勢為(導(dǎo)體不閉合)(導(dǎo)體閉合)目前二十七頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)設(shè)一個(gè)半徑為R的長直載流螺線管，內(nèi)部磁場強(qiáng)度為，若為大于零的恒量。求管內(nèi)外的感應(yīng)電場。(4)軸對稱分布的變化磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場感應(yīng)電場方向?yàn)榍邢蚰壳岸隧揬總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例一被限制在半徑為

R

的無限長圓柱內(nèi)的均勻磁場

B

，B

均勻增加，B

的方向如圖所示。求

導(dǎo)體棒MN、CD的感生電動(dòng)勢解方法一(用感生電場計(jì)算):方法二(用法拉第電磁感應(yīng)定律):(補(bǔ)逆時(shí)針回路OCDO)過中心直徑的電動(dòng)勢為0！目前二十九頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)由于變化磁場激起感生電場，則在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。交變電流高頻感應(yīng)加熱原理這些感應(yīng)電流的流線呈閉合的渦旋狀，故稱渦電流(渦流)交變電流減小電流截面，減少渦流損耗整塊鐵心彼此絕緣的薄片電磁阻尼三.渦流???目前三十頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)§10.3自感互感一.自感現(xiàn)象自感系數(shù)自感電動(dòng)勢線圈電流變化穿過自身磁通變化在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢—自感電動(dòng)勢遵從法拉第定律1.自感現(xiàn)象即目前三十一頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)根據(jù)畢—薩定律穿過線圈自身總的磁通量與電流

I

成正比若自感系數(shù)是一不變的常量自感具有使回路電流保持不變的性質(zhì)——電磁慣性自感系數(shù)自感電動(dòng)勢討論3.自感電動(dòng)勢如果回路周圍不存在鐵磁質(zhì)，自感L是一個(gè)與電流I無關(guān)，僅由回路的匝數(shù)、幾何形狀和大小以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率決定的物理量2.自感系數(shù)目前三十二頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例設(shè)一載流回路由兩根平行的長直導(dǎo)線組成求

這一對導(dǎo)線單位長度的自感L解由題意，設(shè)電流回路

I取一段長為

h

的導(dǎo)線求自感系數(shù)的一般方法目前三十三頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例同軸電纜由半徑分別為

R1

和R2的兩個(gè)無限長同軸導(dǎo)體和柱面組成求

無限長同軸電纜單位長度上的自感解由安培環(huán)路定理可知目前三十四頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)二.互感線圈

1中的電流變化引起線圈2的磁通變化線圈2

中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢．根據(jù)畢—薩定律穿過線圈2的磁通量正比于線圈1中電流

I

M21是回路1對回路2的互感系數(shù)同理可得M1２是回路２對回路１的互感系數(shù)目前三十五頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)互感系數(shù)不變的條件：回路周圍不存在鐵磁質(zhì)且兩線圈結(jié)構(gòu)、相對位置及其周圍介質(zhì)分布不變

互感電動(dòng)勢?討論(1)可以證明：(2)互感系數(shù)由兩個(gè)線圈的幾何形狀、大小、匝數(shù)、相對位置、磁導(dǎo)率等條件決定(3)互感系數(shù)與線圈中有無電流無關(guān)(4)互感系數(shù)的單位H互感系數(shù)不變目前三十六頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例一無限長導(dǎo)線通有電流現(xiàn)有一矩形線框與長直導(dǎo)線共面（如圖所示）求互感系數(shù)和互感電動(dòng)勢解穿過線框的磁通量互感系數(shù)互感電動(dòng)勢求互感系數(shù)的一般方法目前三十七頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例計(jì)算共軸的兩個(gè)長直螺線管之間的互感系數(shù)設(shè)兩個(gè)螺線管的半徑、長度、匝數(shù)為解設(shè)設(shè)目前三十八頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例在相距為2a

的兩根無限長平行導(dǎo)線之間，有一半徑為

a的導(dǎo)體圓環(huán)與兩者相切并絕緣，2aa求

互感系數(shù)解設(shè)電流目前三十九頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)線圈之間的連接——自感與互感的關(guān)系

線圈的順接線圈順接的等效總自感

線圈的反接??目前四十頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)思考？？

耦合關(guān)系?耦合系數(shù)K<

1

有漏磁存在K

=1無漏磁存在例如長直螺線管，如1K

小于1反映有漏磁存在如K等于1反映無漏磁的情況目前四十一頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析

結(jié)論：在原通有電流的線圈中存在能量——

磁能

自感為L

的線圈中通有電流

I0

時(shí)所儲存的磁能為電流

I0

消失時(shí)自感電動(dòng)勢所做的功?§10.4磁場能量一.磁能的來源目前四十二頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)設(shè)在dt內(nèi)通過燈泡的電量?自感磁能電流I0

消失過程中，自感電動(dòng)勢所做的總功(自感磁能公式)目前四十三頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)討論(1)在通電過程中為電源做的功為自感電動(dòng)勢反抗電流所作的功為電阻消耗的焦耳熱為電源的功轉(zhuǎn)化為磁場的能量其中(2)與電容儲能比較自感線圈也是一個(gè)儲能元件，自感系數(shù)反映線圈儲能的本領(lǐng)目前四十四頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)二.磁能的分布以無限長直螺線管為例磁能?磁場能量密度目前四十五頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)上式不僅適用于無限長直螺線管中的均勻磁場,也適用于非均勻磁場,其一般是空間和時(shí)間的函數(shù)在有限區(qū)域內(nèi)積分遍及磁場存在的空間磁場能量密度與電場能量密度公式比較??說明目前四十六頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)解根據(jù)安培環(huán)路定理,螺繞環(huán)內(nèi)取體積元例一由N

匝線圈繞成的螺繞環(huán)，通有電流

I

，其中充有均勻磁介質(zhì)求磁場能量Wm目前四十七頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)例計(jì)算低速運(yùn)動(dòng)的電子的磁場能量，設(shè)其半徑為

a解低速運(yùn)動(dòng)的電子在空間產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為取體積元（球坐標(biāo)）a整個(gè)空間的磁場能量目前四十八頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)

計(jì)算磁場能量的一般方法*4互感磁能先閉合再閉合需要考慮互感的影響?？目前四十九頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)當(dāng)回路2

電流增加時(shí)，在回路1

中產(chǎn)生互感電動(dòng)勢若保I1不變,電源1提供的能量應(yīng)等于互感電動(dòng)勢所做的功將使電流總磁能注意兩載流線圈的總磁能與建立I1，

I2

的具體步驟無關(guān)減小(互感能量)目前五十頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)§10.5麥克斯韋電磁場理論簡介1

非穩(wěn)恒電流中的問題對穩(wěn)恒電流對S1面對S2面矛盾穩(wěn)恒磁場的安培環(huán)路定理已不適用于非穩(wěn)恒電流的電路變化磁場產(chǎn)生感生電場變化電場產(chǎn)生磁場？對非穩(wěn)恒電流一.問題的提出目前五十一頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)二.位移電流假設(shè)非穩(wěn)恒電路中，在傳導(dǎo)電流中斷處必發(fā)生電荷分布的變化極板上電荷的時(shí)間變化率等于傳導(dǎo)電流電荷分布的變化必引起電場的變化(以平行板電容器為例)電位移通量—位移電流(電場變化等效為一種電流)電位移通量的變化率等于傳導(dǎo)電流強(qiáng)度——位移電流目前五十二頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)一般情況位移電流位移電流與傳導(dǎo)電流連接起來恰好構(gòu)成連續(xù)的閉合電流位移電流密度以均勻場為例矢量式普適目前五十三頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)若傳導(dǎo)電流為零變化電場產(chǎn)生磁場的數(shù)學(xué)表達(dá)式麥克斯韋提出全電流的概念(全電流安培環(huán)路定理)在普遍情形下，全電流在空間永遠(yuǎn)是連續(xù)不中斷的，并且構(gòu)成閉合回路麥克斯韋將安培環(huán)路定理推廣位移電流密度全電流4全電流安培環(huán)路定理目前五十四頁\總數(shù)六十一頁\編于五點(diǎn)三.位移電流、傳導(dǎo)電流的比較1.位移電流具有磁效應(yīng)—與傳導(dǎo)電流相同2.位移電流與傳導(dǎo)電流不同之處(1)產(chǎn)生機(jī)理不同(2)存在條件不同位移電流可以存在于真空中、導(dǎo)體中、介質(zhì)中3.位移電流沒有熱效應(yīng)，傳導(dǎo)電流產(chǎn)生焦耳熱