大學(xué)物理課件-動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)

將前一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，而后一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為感生電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，只要穿過回路的磁通量發(fā)生了變化，在回路中就會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。引起磁通量變化的原因不外乎兩條：其一是磁場(chǎng)不變，回路相對(duì)于磁場(chǎng)有運(yùn)動(dòng)；其二是回路在磁場(chǎng)中雖無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是磁場(chǎng)在空間的分布隨時(shí)間變化。12.3動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)將前一原因產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，根1根據(jù)引起回路中磁通量變化的原因，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)，這僅僅是一種表觀區(qū)分。產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的機(jī)制甚至與磁場(chǎng)空間中是否放置了導(dǎo)體無關(guān)，只要磁場(chǎng)隨時(shí)間變化。產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的機(jī)制與導(dǎo)體是否構(gòu)成回路無關(guān)（不構(gòu)成回路就無法確定磁通量），只要導(dǎo)體與觀察者所在參照系中的磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),且切割磁力線.實(shí)際上，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有兩種不同的機(jī)制。根據(jù)引起回路中磁通量變化的原因，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)21.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)制一、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)（motionalemf）我們不禁要問：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的物理機(jī)制到底是什么?動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是由于導(dǎo)體或?qū)w回路在恒定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。1.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)制一、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)（motiona3+++++導(dǎo)體桿內(nèi)每個(gè)自由電子受到的洛侖茲力為洛侖茲力驅(qū)使電子沿導(dǎo)線由a向b移動(dòng)。由于洛侖茲力的作用使b端出現(xiàn)過剩負(fù)電荷，a端出現(xiàn)過剩正電荷。+++++導(dǎo)體桿內(nèi)每個(gè)自由電子受到的洛侖茲力4電子同時(shí)受到電場(chǎng)力作用平衡時(shí)此時(shí)電荷積累停止，ab兩端形成穩(wěn)定的電勢(shì)差，如同一節(jié)電源，在導(dǎo)體回路中建立感生電流?？梢娐鍋銎澚κ钱a(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的根本原因方向a

b在導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)+++++電子同時(shí)受到電場(chǎng)力作用平衡時(shí)此時(shí)電荷積累停5對(duì)應(yīng)的非靜電場(chǎng)強(qiáng)由電動(dòng)勢(shì)定義運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線ab產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)為作為電源的這段運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體桿，其中的非靜電力當(dāng)然就是洛侖茲力了。非靜電力對(duì)應(yīng)的非靜電場(chǎng)強(qiáng)由電動(dòng)勢(shì)定義運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線ab產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)為6均勻磁場(chǎng)非均勻磁場(chǎng)計(jì)算動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)分類方法平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)2.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的條件①有磁場(chǎng)②有導(dǎo)體③導(dǎo)體相對(duì)觀察者（磁場(chǎng)）運(yùn)動(dòng)均勻磁場(chǎng)非均勻磁場(chǎng)計(jì)算動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)分類方法平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)2.動(dòng)7解：普通物理學(xué)教案例題1：如圖求導(dǎo)體回路中的電動(dòng)勢(shì)設(shè)三角形高為h任意時(shí)刻，滑動(dòng)導(dǎo)體桿長導(dǎo)體回路所圍面積則順時(shí)針方向解：普通物理學(xué)教案例題1：如圖求導(dǎo)體回路中的電動(dòng)勢(shì)設(shè)三角形8解：普通物理學(xué)教案例題2：有一半圓形金屬導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)。已知求動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)方法一方向：+++++++++++++++++++R+有效段！解：普通物理學(xué)教案例題2：有一半圓形金屬導(dǎo)9方法二+++++++++++++++++++R+作輔助線，形成閉合回路即則方向：方法二+++++++++++++++++++R+作輔助線，形10如圖，長為L的銅棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以角速度ω繞o軸轉(zhuǎn)動(dòng)。求：棒中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向。解：普通物理學(xué)教案例題3：方法一取微元方向負(fù)號(hào)說明電動(dòng)勢(shì)方向與反向如圖，長為L的銅棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以角速度ω繞11方法二作輔助線，形成閉合回路OACO負(fù)號(hào)表示方向沿A→OAC、CO段沒有動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)回路中的電動(dòng)勢(shì)方法二作輔助線，形成閉合回路OACO負(fù)號(hào)表示方向沿A→OAC12法拉第電機(jī)。設(shè)銅盤的半徑為R，角速度為

。求：盤上沿半徑方向產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。解：普通物理學(xué)教案例題4：可視為無數(shù)銅棒一端在圓心，另一端在圓周上，即為并聯(lián)。因此其電動(dòng)勢(shì)類似于一根銅棒繞其一端旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。法拉第電機(jī)。設(shè)銅盤的半徑為R，角速度為。13法拉第圓盤發(fā)電機(jī)實(shí)物法拉第圓盤發(fā)電機(jī)實(shí)物14大學(xué)物理ppt課件-動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)15一直導(dǎo)線CD在一無限長直電流磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)。求：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。解：普通物理學(xué)教案例題5：abI方法一方向一直導(dǎo)線CD在一無限長直電流磁場(chǎng)中作切割磁力16方法二abI作輔助線形成閉合回路CDEFC;方向取面元方法二abI作輔助線形成閉合回路CDEFC;方向取面元17思考做法對(duì)嗎？abI思考做法對(duì)嗎？abI18三角形金屬框架置于均勻磁場(chǎng)中（如圖）一銅桿質(zhì)量m，沿框架斜面無摩擦下滑，求其速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。(設(shè)回路電阻集中在底邊為R)解：普通物理學(xué)教案++例題6：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)方向：逆時(shí)針感應(yīng)電流安培力三角形金屬框架置于均勻磁場(chǎng)中（如圖）解：普通物理學(xué)教案++例19牛頓方程（x方向）牛頓方程（x方向）20二、感生電動(dòng)勢(shì)和感生電場(chǎng)1.疑問當(dāng)線圈不動(dòng)而磁場(chǎng)變化時(shí)，穿過回路的磁通量也發(fā)生變化，由此在回路中激發(fā)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)然不能歸結(jié)為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。R12εG這種由磁場(chǎng)變化引起的電動(dòng)勢(shì)稱為感生電動(dòng)勢(shì)二、感生電動(dòng)勢(shì)和感生電場(chǎng)1.疑問當(dāng)線圈不動(dòng)21當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)，載流子只有無規(guī)的熱運(yùn)動(dòng)，它們所受的洛侖茲力在各方向上是雜亂的，不會(huì)形成載流子沿導(dǎo)線的定向運(yùn)動(dòng)。因此建立感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力不可能是洛侖茲力。那么如何解釋感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)制呢？先清理一下我們的思路：從電動(dòng)勢(shì)的定義出發(fā)回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這總是非靜電力做功的結(jié)果，此情下，究竟是哪種非靜電力在起作用呢？當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)，載流子只有無規(guī)的熱運(yùn)動(dòng)，它們所222.渦旋電場(chǎng)假設(shè)1861年，英國物理學(xué)家麥克斯韋對(duì)由磁場(chǎng)變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象作了如下分析：如果法拉第定律是正確的，那就是說，回路中的感生電動(dòng)勢(shì)僅與回路所圍面上的磁通量變化率成正比，不存在其它因素的影響麥克斯韋敏銳地意識(shí)到這是否暗指，回路中電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與構(gòu)成回路導(dǎo)體的材料無關(guān)？2.渦旋電場(chǎng)假設(shè)1861年，英國物理學(xué)家麥23如果是這樣，那么即使不用導(dǎo)體做回路、甚至什么也不用─就算是真空中的一條假想回路上，也會(huì)有感生電動(dòng)勢(shì)存在─只要這條回路所處空間的磁場(chǎng)發(fā)生了變化！由此麥克斯韋想到，一定是回路所處空間出現(xiàn)了一種渦旋狀的電場(chǎng)─不同于靜電場(chǎng)的“電場(chǎng)”！──變化的磁場(chǎng)激發(fā)“電場(chǎng)”如果是這樣，那么即使不用導(dǎo)體做回路、甚至什么24由推理的結(jié)果看來，這種非靜電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生，可稱之為感生電場(chǎng)或渦旋電場(chǎng)。順理成章，如果這種電場(chǎng)中有導(dǎo)體回路，那么回路中的自由電子，受渦旋電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)就會(huì)形成渦旋電流─感生電流。引起感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力是渦旋電場(chǎng)力麥克斯韋找到了答案：由推理的結(jié)果看來，這種非靜電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)253.感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比較①─由靜止電荷激發(fā)靜渦─由變化的磁場(chǎng)激發(fā)②靜渦③靜渦一般的空間電場(chǎng)為這兩種場(chǎng)的疊加靜渦3.感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比較①─由靜止電荷激發(fā)靜渦─由變化的26渦構(gòu)成左旋關(guān)系。與渦渦渦構(gòu)成左旋關(guān)系。與渦渦27感生電場(chǎng)線感生電場(chǎng)線28①電子感應(yīng)加速器4.實(shí)驗(yàn)證據(jù)及應(yīng)用1947年，美國科學(xué)家Kerst

依據(jù)麥克斯韋的理論提出了電子感應(yīng)加速器的設(shè)計(jì)思想：如果空間磁場(chǎng)的變化激發(fā)了一個(gè)渦旋電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)應(yīng)該能夠?qū)ψ⑷朐摽臻g區(qū)域的電子產(chǎn)生加速效應(yīng)。1948年第一臺(tái)建成，這個(gè)裝置（70MeV）驗(yàn)證了麥克斯韋理論的正確性。①電子感應(yīng)加速器4.實(shí)驗(yàn)證據(jù)及應(yīng)用19429××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××靶電子槍電子束渦××××××××××××靶電子槍電子束30由于電子感應(yīng)加速器的電磁鐵用交流電激勵(lì)，所以導(dǎo)致磁場(chǎng)從而渦旋電場(chǎng)的方向是交變的，而且電子受到的洛侖茲力也并非總是指向圓心。因此，圖示情況下只有在第一個(gè)四分之一周期內(nèi)，電子才受到感生電場(chǎng)的加速，并且洛侖茲力的方向指向圓心。

由于電子感應(yīng)加速器的電磁鐵用交流電激勵(lì)，所以31實(shí)際上，若交流電的周期為50Hz

，則在磁場(chǎng)變化的第一個(gè)四分之一周期（約5ms

的時(shí)間）內(nèi)，電子就能在感生電場(chǎng)的作用下，在圓形軌道上經(jīng)歷回旋數(shù)十圈的持續(xù)加速，從而獲得足夠高的能量，并在第一個(gè)四分之一周期結(jié)束時(shí)被引出加速器至靶室。加速器的種類很多，用途也各不同，有靜電加速器、電子回旋加速器、電子感應(yīng)加速器、同步輻射加速器……等等。電子感應(yīng)加速器主要用于核物理的研究，用被加速的電子轟擊各種靶時(shí)，將發(fā)出穿透力很強(qiáng)的電磁輻射。另外電子感應(yīng)加速器還應(yīng)用于工業(yè)探傷或醫(yī)療癌癥。目前，我國最大的三個(gè)加速器是北京的高能粒子加速器、合肥的同步輻射加速器、蘭州的重離子加速器。實(shí)際上，若交流電的周期為50Hz，則在32北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的儲(chǔ)存環(huán)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的儲(chǔ)存環(huán)33直徑2km

的美國費(fèi)米國立加速器鳥瞰圖直徑2km的美國費(fèi)米國立加速器鳥瞰圖34UNILACATLASSHIPUNILACATLASSHIP35②渦電流（渦流）宋代沈括在《夢(mèng)溪筆談》中記載了這樣一件事：一次，雷暴在室內(nèi)發(fā)生，一團(tuán)閃電火球沿墻飄蕩，經(jīng)過斜掛著的一柄寶劍后，發(fā)現(xiàn)堅(jiān)硬的劍身已熔化，然而木質(zhì)的劍鞘卻完好無損。這怎么解釋呢？一般縱火燃燒會(huì)先燒損物體的外表，然后才能燒損其內(nèi)部。沈括對(duì)此十分震驚，以為是神火?，F(xiàn)代物理學(xué)對(duì)此已經(jīng)作出了解釋：球形閃電發(fā)生時(shí)，空間出現(xiàn)高頻電磁場(chǎng)，這必然在金屬物件上感應(yīng)出渦旋電流，因而是渦旋電流的熱效應(yīng)將刀劍熔融。而木質(zhì)的劍鞘不導(dǎo)電，盡管有很強(qiáng)的電動(dòng)勢(shì)，卻不能形成渦電流，故而得以保全。②渦電流（渦流）宋代沈括在《夢(mèng)溪筆談》中記載36大塊導(dǎo)體處在變化磁場(chǎng)中，或者相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部也會(huì)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。渦電流導(dǎo)體中渦流電阻小，電流大，能夠產(chǎn)生高熱量?？捎糜谝睙捥胤N合金。渦電流的熱效應(yīng)高頻感應(yīng)爐渦流線坩堝（內(nèi)裝熔融金屬）~大塊導(dǎo)體處在變化磁場(chǎng)中，或者相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)37真空無按觸加熱~接抽真空設(shè)備真空無按觸加熱~接抽真空設(shè)備38電磁阻尼當(dāng)鋁片擺動(dòng)時(shí)，穿過運(yùn)動(dòng)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(dòng)會(huì)受到阻滯而停止，這就是電磁阻尼。電磁儀表中使用的阻尼裝置電氣火車中的電磁制動(dòng)器應(yīng)用電磁阻尼當(dāng)鋁片擺動(dòng)時(shí)，穿過運(yùn)動(dòng)鋁片的磁通量是39整塊鐵心~~彼此絕緣的薄片在電器設(shè)備中，渦流熱效應(yīng)的過強(qiáng)、溫度過高，易破壞絕緣，損耗電能，還可能造成事故降低渦流選擇高阻值材料減少渦流損耗多片鐵芯組合減小電流截面整塊鐵心~~彼此絕緣的薄片在電器設(shè)備中，渦流40解：普通物理學(xué)教案例題1：局限于半徑R的圓柱形空間內(nèi)分布有均勻磁場(chǎng)，方向如圖。磁場(chǎng)的變化率求：圓柱內(nèi)、外的感生電場(chǎng)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羠<R取順時(shí)針回路負(fù)號(hào)說明方向：逆時(shí)針解：普通物理學(xué)教案例題1：局限于半徑R41上于是雖然上每點(diǎn)為0，在但在上則并非如此。由圖可知，這個(gè)圓面積包括柱體內(nèi)部的面積。上故r>R同理取順時(shí)針回路在圓柱體外，由于B=0×××××××××××××××××××××××××××××××而柱體內(nèi)上于是雖然上每點(diǎn)為0，在但在上則并非如此。由圖可知，這個(gè)42逆時(shí)針×××××××××××××××××××××××××××××××