第一部分靜電場(chǎng)教學(xué)課件備課講稿

第一章靜電場(chǎng)第五篇電磁學(xué)第二章穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)第三章電磁感應(yīng)第四章電磁場(chǎng)和電磁波GA3.1電磁感應(yīng)定律一.電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第于1831年8月29日發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象表明電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)：1.一通電線圈電流的變化使另一線圈產(chǎn)生電流.+B_K電鍵K閉合和斷開(kāi)的瞬間線圈A中電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)AG2.閉合電路的一部分切割磁感線也產(chǎn)生感應(yīng)電流.3.閉合線圈在磁場(chǎng)中平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)或者改變面積時(shí),閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流.4.磁鐵運(yùn)動(dòng)引起感應(yīng)電流

磁鐵與線圈有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)AGSNSNG結(jié)論：當(dāng)穿過(guò)一個(gè)閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，不管這種變化是由于什么如果回路由N匝密繞線圈組成，且穿過(guò)每匝線圈的磁通量都等于Φ.則磁通匝數(shù)(也稱磁鏈)計(jì)算在時(shí)間間隔Δt=t2-t1內(nèi)，由于電磁感應(yīng)流過(guò)回路的電荷取k=1?i?i三.楞次定律 1833年11月,俄國(guó)物理學(xué)家楞次發(fā)現(xiàn)了所謂楞次定律:二.電磁感應(yīng)定律叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).原因引起的，回路中就有電流。這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象.電磁感應(yīng)定律常稱為法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)穿過(guò)閉合回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí),不論這種變化是什么原因引起的,回路中都會(huì)建立起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),且此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于磁通量對(duì)時(shí)間的變化率的負(fù)值.?i回路中所出現(xiàn)的電流叫做感應(yīng)電流.回路中的電動(dòng)勢(shì)××××××××××××××××××××選取逆時(shí)針為回路方向QRPOvP

O

vL則Φ＜0，穿過(guò)此回路的磁通為負(fù)值.導(dǎo)線OP向右運(yùn)動(dòng),由法拉第定律:εi>0，導(dǎo)線切割磁感線的情形回路繞行方向Φ>0,NBnd

<0,

i>0v可見(jiàn)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)回路面積的磁通量，總是抵消原磁通量的變化—楞次定律。法拉第定律中的負(fù)號(hào)反映這種抵抗。由法拉第定律:

i與回路反方向.又例:εi令?m=NBS

上式為:感應(yīng)電流:=Imsint?tnB

O

O

RiN?=?msint例.交流發(fā)電機(jī)的原理即εi方向與回路的繞行方向相同,也為逆時(shí)針.由楞次定律:磁通向里增加→感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙其增加→磁場(chǎng)方向向外→感應(yīng)電流(電動(dòng)勢(shì))逆時(shí)針.實(shí)質(zhì)上楞次定律是能量守恒定律的一種表現(xiàn).設(shè)t=0時(shí),線圈法矢n與磁場(chǎng)B方向相同.t時(shí)刻,夾角=t穿過(guò)N匝線圈的磁鏈=N=NBScost?××××××××××××××××××××QRPOP

O

vii由法拉第定律:?Ox|?i|而S=OPx=lx|?i|2.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)可由洛倫茲力給出解釋,并得出表達(dá)式.3-2動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由回路所圍面積的磁通量所決定.通常把由于磁感強(qiáng)度變化引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為:感生電動(dòng)勢(shì).把由于回路所圍面積的變化或面積取向變化而引起的感應(yīng)磁通量由:磁感強(qiáng)度、回路面積以及面積在磁場(chǎng)中的取向決定.電動(dòng)勢(shì)稱為:動(dòng)生電動(dòng)勢(shì).由法拉第定律:?而一.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)1.直導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)中切割磁感線(復(fù)習(xí))洛倫茲力Fm為非靜電力，相應(yīng)有非靜電場(chǎng)Ek.由電動(dòng)勢(shì)的定義:?i對(duì)直導(dǎo)線:?i例1一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的銅棒,在磁感強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中,以角速度ω在與磁場(chǎng)方向垂直的平面上繞棒的一端

作勻速轉(zhuǎn)動(dòng),試求在銅棒兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).解：在銅棒上取線元dl，dl的速度為v,dl兩端的PO?i在穩(wěn)定情況下，電子受力平衡××××××××××××××××B＋＋＋---v-e?故O端累積負(fù)電子,P端有正電子.Ek電子以速度v運(yùn)動(dòng),受洛倫茲力導(dǎo)線內(nèi)建立靜電場(chǎng),電子靜電力FePO例2.直導(dǎo)線在非均勻磁場(chǎng)中如圖,導(dǎo)線AB長(zhǎng)為L(zhǎng),在無(wú)限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線右側(cè)運(yùn)動(dòng),求動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)?i和電勢(shì)差UB-UA=?IABv××××××解:已知電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向向里在直導(dǎo)線上取線元drd?i=vBdrdrrArBAB?idr以速度v運(yùn)動(dòng),則×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××LωυPOldl?i=∫ld?id?i銅棒的電動(dòng)勢(shì)是各線元電動(dòng)勢(shì)之和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向由O指向P,O端帶負(fù)電，P端帶正電.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)為：若直導(dǎo)線沿如下圖方向運(yùn)動(dòng),則總是如何?I××××××ABv同樣在AB上取dldld?i=vBdl?i=∫ld?i而:?從A→B?i=∫ld?i直導(dǎo)線中電動(dòng)勢(shì)?>0，故與dr同方向,從A指向B.在B端累積而dr離I為r,則dr處B的大小為正電荷,A端累積負(fù)電荷,即:UB－UA

=?i所以:UA－UBdS=ydx=[(a+b

x)l/b]dx負(fù)號(hào)表示逆時(shí)針?CAIbaxyv討論:若I不變,如圖,求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)例3.如圖所示，長(zhǎng)直導(dǎo)線AC中解:取順時(shí)針為三角形回路電動(dòng)勢(shì)正向,得三角形面法線垂直紙面向里.取窄條面積微元（a=5cm,b=10cm)的電流I沿導(dǎo)線向上，并以dI/dt=2A/s的變化率均勻增長(zhǎng).導(dǎo)線附近放一個(gè)與之同面的直角三角形線框，其一邊與導(dǎo)線平行，位置及線框尺寸如圖所示.求此線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向.CAIbaxy用法拉第定律求,回路面積為:計(jì)算磁通量時(shí),設(shè)回路面積法線與磁感強(qiáng)度方向之夾角為φ,????由于?得令故有也可用切割概念求.???方向:順時(shí)針.方法二:由切割概念求.先求各邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),再求代數(shù)和.欲求任意時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),令x’=a+vt即可求得.rθodbaB當(dāng)弧ab以ω繞oa軸轉(zhuǎn)到如圖位置時(shí),求弧ab導(dǎo)線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感生電場(chǎng)比感生電動(dòng)勢(shì)更本質(zhì).無(wú)論是否有導(dǎo)線回路,若存在變化的磁場(chǎng),就一定有感生電場(chǎng)存在.感生電場(chǎng)Ek與靜電場(chǎng)的比較:相同點(diǎn):兩者都對(duì)電荷有力的作用;不同點(diǎn):(1)靜電場(chǎng)是由電荷激發(fā)的,感生電場(chǎng)是變化的磁場(chǎng)激發(fā)的;(2)靜電場(chǎng)線不閉合.感生電場(chǎng)線是閉合的（有旋電場(chǎng)）(3)感生電場(chǎng)不是保守場(chǎng),不能引入勢(shì)的概念;2.感生電動(dòng)勢(shì)二.感生電動(dòng)勢(shì)?i由法拉第定律:考慮由磁感強(qiáng)度B變化引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(感生電動(dòng)勢(shì))麥克斯韋假設(shè)：變化的磁場(chǎng)在其周圍空間激發(fā)了一種電場(chǎng)，叫做感生電場(chǎng)（渦旋電場(chǎng)）.變化的磁場(chǎng)B(t),在閉合導(dǎo)線回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流,必定存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),引入電場(chǎng)(感生電場(chǎng))1.感生電場(chǎng)(又叫渦旋電場(chǎng)Ek

)(電動(dòng)勢(shì)的定義:?i=∮Ek·dl,—Ek為非靜電場(chǎng))E旋××××××××××3.空間的總電場(chǎng)E=E庫(kù)+E旋(有源場(chǎng))(無(wú)源場(chǎng))(有勢(shì)無(wú)旋)(有旋無(wú)勢(shì))由電動(dòng)勢(shì)的定義和法拉第定律:?i?i叫感生電動(dòng)勢(shì)又因?yàn)?所以?i從上式可見(jiàn),感生電場(chǎng)的環(huán)流不等于零,為非保守場(chǎng).并且E旋是由激發(fā),兩者滿足左手關(guān)系:針取逆時(shí)針圓環(huán)回路通過(guò)P點(diǎn),則解：①由左手關(guān)系，Ek為逆時(shí)OR××××××××××P?rEk2r?dac??Ek

Ek

dx(1)?動(dòng)是由洛倫茲力形成的,?旋是由變化磁場(chǎng)形成的;(2)由于參考系的選取,有時(shí)?動(dòng)可轉(zhuǎn)化為?旋;(3)在同一參考系,同一導(dǎo)體回路中,?動(dòng)與?旋是獨(dú)立的;(4)電磁感應(yīng)定律可寫為:?i=4.感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)在半徑為R的圓內(nèi),B(t)的方向如圖所示.dB/dt=常數(shù)且大于零.求①感生電場(chǎng)Ek的分布;②和(ac=2L=R,ad=2R)?ad?ac例：?acac??ad再求?cd?ad+?cd=?accd?ad?故P點(diǎn):(r<R)同理對(duì)Q點(diǎn),作半徑為r

的圓環(huán).Ek2r(r>R)②?ac求線元dx上的元電動(dòng)勢(shì)為d?=得電子運(yùn)動(dòng)軌道半徑為這里洛倫茲力只改變電子運(yùn)方向,不改變速度大小,我們要在R不變的條件下,靠變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦旋電場(chǎng)的作用下使電子加速.要使電子不斷加速,必須考慮兩個(gè)問(wèn)題：第一,如何使電子的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定在某個(gè)圓形軌道上.第二,如何使電子在圓形軌道上只被加速,而不因渦旋電場(chǎng)方向的變化被減速.R=mv/?B第一個(gè)問(wèn)題:使電子穩(wěn)定在圓形軌道上運(yùn)動(dòng).由動(dòng)量定理:P=mv=ReB對(duì)時(shí)間求導(dǎo)電子軌道·························B環(huán)形真空室三.電子感應(yīng)加速器即-e1.結(jié)構(gòu)及原理圖內(nèi)有均勻變化的磁場(chǎng)B(t)當(dāng)電子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí),受力F洛電子在環(huán)形室內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng).圓形區(qū)域真空環(huán)形室內(nèi)電子軌道處的磁感強(qiáng)度增長(zhǎng)率應(yīng)為平均磁感強(qiáng)度增長(zhǎng)率的一半,能保證電子在圓軌道上作穩(wěn)定運(yùn)動(dòng).第二個(gè)問(wèn)題:如何保證電子只被加速,而不被減速.設(shè)電磁鐵的激磁電流是時(shí)間的正弦函數(shù),即B(t)為正弦函數(shù).若Ek在第一個(gè)1/4周期對(duì)電子加速,則在下一個(gè)1/4周期對(duì)電子減速.tBOT/2T有旋電場(chǎng)的繞向所以:穩(wěn)定加速條件一般用環(huán)形區(qū)域內(nèi)的表示Ek由:考慮電子環(huán)繞半徑不變,并只考慮大小.引入平均磁感強(qiáng)度比較(1),(2)(1)熱效應(yīng)大塊金屬中的電流應(yīng)爐—待冶煉的金屬塊中的渦流使金屬塊溶化.優(yōu)點(diǎn)：在物料內(nèi)部各處同時(shí)加熱；可以在真空中加熱，避免氧化；只加熱導(dǎo)體等.原理：整塊金屬電阻很小—渦電流大,產(chǎn)生的熱量多；產(chǎn)生熱量以資利用.如工頻感渦電流與交變電流的頻率成正比—高頻電爐.(2)電磁阻尼金屬板在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生渦流,而渦流同時(shí)又受磁場(chǎng)安培力的作用，阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如:電磁儀表中指針的定位解決的方法：使電子注入時(shí)已有一定的速率（例如用電子槍使電子通過(guò)50kv電壓的預(yù)加速）,使得在1/4周期內(nèi)電子在感應(yīng)加速器內(nèi)轉(zhuǎn)上百萬(wàn)圈.思考:進(jìn)一步加速電子是否會(huì)受限制.較好的選擇是:在第一個(gè)1/4周期內(nèi)完成加速.答:電子要輻射能量四.渦電流1.現(xiàn)象大塊金屬導(dǎo)體放在變化的磁場(chǎng)中,或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,此電流自行閉合,故叫渦電流,簡(jiǎn)稱渦流.2.渦流的應(yīng)用2I2I11由回路2中的電流I2的變化,而在回路1引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫互感電動(dòng)勢(shì)，用?12表示.一.自感電動(dòng)勢(shì)自感1.自感系數(shù)設(shè)回路中的電流為I,I則通過(guò)回路的磁通為

而∝B由于B∝I

∝I變壓器和電機(jī)中的鐵心會(huì)產(chǎn)生渦流。既浪費(fèi)能源，又容易損壞設(shè)備.3.渦流的負(fù)面效應(yīng)對(duì)于高頻器件，如收音機(jī)中的磁性天線、中頻變壓器等，采用半導(dǎo)體磁性材料做磁心.所以，常常采用彼此絕緣的硅鋼片疊合成鐵心.12-3自感和互感僅由回路自身電流I

的變化而引起磁通量的變化,從而在自身回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫自感電動(dòng)勢(shì)?L.從上式可見(jiàn):自感在數(shù)值上等于回路電流變化率為1單位時(shí),在回路中所引起的自感電動(dòng)勢(shì)的絕對(duì)值.自感的單位:亨利,符號(hào)H.3.關(guān)于自感的一點(diǎn)說(shuō)明自感L是電路的固有特性(電慣性)的量度:?L上述定義式提供了一個(gè)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量L的依據(jù).式中負(fù)號(hào)是楞次定律的數(shù)學(xué)表示,它指出:將反抗回路中電流的改變(非反抗電流I).?L2.自感電動(dòng)勢(shì)當(dāng)回路有N匝線圈時(shí),引入磁通鏈數(shù):Ψ=NΦ=LI實(shí)驗(yàn)表明:L與回路形狀,大小L為自感系數(shù),簡(jiǎn)稱自感.引入比例系數(shù)L則=LI穿過(guò)此線圈中的磁通鏈數(shù).以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān).從上式可見(jiàn):自感在數(shù)值上等于回路中的電流為1個(gè)單位時(shí),由法拉第定律:?L一般情況下L為常量,故:?L對(duì)螺線管有：n=N/l,V=lS例2.如圖所示,有兩個(gè)同軸圓筒形導(dǎo)體,其半徑分別為R1,和R2通過(guò)它們的電流均為I,但電流的流向相反,設(shè)在兩圓筒間充滿磁導(dǎo)率為μ的均勻磁介質(zhì).試求其自感.解：兩圓筒之間任一點(diǎn)的磁感強(qiáng)度為

有一長(zhǎng)密繞直螺線管,長(zhǎng)度為l,橫截面積為S,線圈的總匝數(shù)為N,管中介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ,試求其自感L.解對(duì)于長(zhǎng)直螺線管,若通有電流I,長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)磁通匝數(shù)

=NΦ1=LI可看作均勻的,磁感強(qiáng)度的大小為B的方向與螺線管的軸線平行穿過(guò)每匝線圈的磁通為所以自感為例1.穿過(guò)面PQRS的磁通量為:長(zhǎng)度為l的部分的自感為穿過(guò)面元dS=ldr的磁通量為單位長(zhǎng)度的自感為:在兩圓筒間取長(zhǎng)為l的面PQRS，并分成許多小面積元QRPSR1lR2IIrdrBR1R2drrBB同理,線圈2中電流I2所激發(fā)的磁場(chǎng)穿過(guò)線圈1的磁通Φ12為

Φ12=M12

I2其中M12是比例系數(shù)理論和實(shí)驗(yàn)都表明:M12=M21=M所以:Φ12=MI2Φ21=MI1定義:叫互感系數(shù),簡(jiǎn)稱互感.實(shí)驗(yàn)表明:M=M21=M12只由兩線圈的形狀,大小,匝數(shù),相對(duì)位置以及周圍磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率決定.二.互感電動(dòng)勢(shì)互感流I1所激發(fā)的磁場(chǎng)穿過(guò)線圈2或者:

Φ21=M21

I1其中M21是比例系數(shù)I11I221.互感現(xiàn)象及互感系數(shù)當(dāng)兩線圈靠近時(shí),線圈1中電磁通量為Φ21若I1變化,則Φ21變化,必有

Φ21

I1解:設(shè)電流I1通過(guò)半徑為r1的螺線管,此螺線管內(nèi)的磁感強(qiáng)度為:兩螺線管間B=0.N1N2r2r1l考慮螺線管是密繞的,于是,穿過(guò)半徑為r2的螺線管的磁通匝數(shù)為:互感的意義：表明兩線圈相互感應(yīng)的強(qiáng)弱.互感的單位:亨利（H）2.互感電動(dòng)勢(shì)負(fù)號(hào)表在一個(gè)線圈中所引起的互感電動(dòng)勢(shì),要反抗另一線圈中電流的變化。?21?12例3兩長(zhǎng)直密繞螺線管互感

有兩個(gè)長(zhǎng)度均為l，半徑分別為r1和r2(且r1＜r2),匝數(shù)分別為N1和N2的同軸密繞螺線管.試計(jì)算它們的互感.N1N2r2r1l討論:兩線圈的自感與互感的關(guān)系?由于對(duì)有N1匝的線圈:對(duì)有N2匝的線圈:可得互感為可得互感為I2產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度為:結(jié)論:M12=M21=M,M并有確定的值.若設(shè)電流I2通過(guò)關(guān)系為r2的線圈,可計(jì)算互感M12而此時(shí)穿過(guò)半徑為r1的螺線管內(nèi)的磁通匝數(shù)為:ldbOxI于是,穿過(guò)此矩形線框的磁通量為則互感為:xdx而兩線圈的互感為:比較得:其中0≤k≤1由上面知,若r1=r2,則k=1.稱為兩線圈完全耦合.k為耦合系數(shù).

在磁導(dǎo)率為

的均勻無(wú)限大的磁介質(zhì)中,有一無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線,與一長(zhǎng)寬分別為l和b的矩形線圈處在同一平面內(nèi),直導(dǎo)線與矩形線圈的一側(cè)平行,且相距為d,求它們的互感.解：設(shè)在直導(dǎo)線內(nèi)通有電流I在距直導(dǎo)線x處取面積元ldx此處的磁感強(qiáng)度為例4.12-4磁場(chǎng)的能量已知對(duì)電容充電過(guò)程所作的功等于電容的儲(chǔ)能。電容的能量實(shí)際上是儲(chǔ)存在兩極板之間的電場(chǎng)中的.+-?K