《物理课件第16章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理课件第16章（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,16.1 法拉第电磁感应定律 16.2 动生电动势 16.3 感生电动势 16.4 自感和互感 16.5 磁场的能量 16.6 位移电流 16.7 麦克斯韦方程组 16.8 电磁波,第16章 电磁场,作业: 1、2、3、4、5、7、10、12、 13、14、15、16、17、18、20、25。,2,1 法拉第电磁感应定律,1. 电磁感应现象,当穿过一个闭合导体回路所包围的面积内的磁通量发生变化时（不论这种变化是由什么原因引起的），在导体回路中就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象。,回路中所产生的电流称为感应电流。,相应的电动势则称为感应电动势。,3,法拉第于1791年出生在英国伦敦附近的
2、一个小村里，父亲是铁匠，自幼家境贫寒，无钱上学读书。13岁时到一家书店里当报童，次年转为装订学徒工。,在学徒工期间，法拉第除工作外，利用书店的条件，在业余时间贪婪地阅读了许多科学著作，例如化学对话、大英百科全书的电学条目等，这些著作开拓了他的视野，激发了他对科学的浓厚兴趣。,1812年，学徒期满，法拉第打算专门从事科学研究。次年，经著名化学家戴维推荐，法拉第到皇家研究院实验室当助理研究员。在戴维的支持和指导下作了许多化学方面的研究工作。,4,1821年法拉第读到了奥斯特的描述他发现电流磁效应的论文关于磁针上的电碰撞的实验。该文给了他很大的启发，使他开始研究电磁现象。经过十年的实验研究，在183
3、1年，他终于发现了电磁感应现象。,1851年，曾被一致推选为英国皇家学会会长，但被他坚决推辞掉了。1867年8月25日，他坐在书房的椅子上安祥地离开了人世。遵照他的遗言，在他的墓碑上只刻了名字和生死年月。,1833年，法拉第发现了电解定律，1837年发现了电解质对电容的影响，引入了电容率概念。1845年发现了磁光效应，后又发现物质可分为顺磁质和抗磁质等。,5,判断感应电流方向的楞次定律: 闭合回路中产生的感应电流具有确定的方向，它总是使感应电流所产生的通过回路面积的磁通量，去补偿或者反抗引起感应电流的磁通量的变化。,2楞次定律,6,注意: （1）感应电流所产生的磁通量要阻碍的是磁通量的变化，而
4、不是磁通量本身。,（2）阻碍并不意味抵消。如果磁通量的变化完全被抵消了，则感应电流也就不存在了。,楞次(18041865)俄国物理学家。1831年 法拉第发现了电磁感应现象后，当时已有许 多便于记忆的“左手定则”、“右手定则”、 “右手螺旋法则”等经验性规则，但是并没有 给出确定感生电流方向的一般法则。1833年 楞次在总结了安培的电动力学与法拉第的电磁感应现象后，发现了确定感生电流方向的定律楞次定律。楞次定律说明电磁现象也遵循能量守恒定律。,楞 次,7, 与 L 反向, 与L 同向,电动势方向:,叙述:导体回路中的感应电动势 的大小与穿过导体回路的磁通量的变化率成正比。,国际单位制中 k =
5、1,负号是楞次定律的要求。,3法拉第电磁感应定律,先选定回路绕行方向,8,磁通链数（或全磁通）:,若有N 匝线圈，彼此串联，总电动势等于各匝线圈所产生的电动势之和。令每匝的磁通量为 1、 2 、 3 ,若每匝磁通量相同,设闭合导体回路中的总电阻为R，由全电路欧姆定律得回路中的感应电流为:,9,例：用感应电动势测铁磁质中的磁感应强度,N2 线圈的总电阻是R，产生的电流为：,S表示环的截面积,当合上N1线圈的开关，电流增大，它在铁环中的磁场增强，在N2 线圈中有感应电动势产生。,10,N1线圈电流增大到I 所需时间为 ，则在同一时间内通过N2回路的电量为:,用冲击电流计测量q 就可算出磁感应强度。
6、,这是一种测量磁介质中磁感应强度的方法。,11,电流成闭合，要靠电源提供某种非静电力。,（化学电池中，非静电力就是化学力。）,非静电力要作功电动势。,补充:电动势,从本质上讲，电磁感应产生的是感应电动势，因而在闭合电路中形成电流。为了加深对电磁感应现象的理解，先介绍电动势的概念。,12,定义：电源电动势在数值上等于将单位正电荷从电源负极经电源内部移到正极时非静电力所作的功，即：,或,式中Ek为非静电场，其定义为单位正电荷所受的非静电力:,如果用 Ek 表示等效的非静电性场强，则感应电动势 i 可表为:,根据电磁感应定律:,13,解:以固定边的位置为坐标原点，向右为X 轴正方向。设t 时刻ab边
7、的坐标为x，取顺时针方向为bodab回路的绕行正方向，则该时刻穿过回路的磁通量为:,例:矩形框导体的一边ab可以平行滑动，长为l 。整个矩形回路放在磁感强度为B、方向与其平面垂直的均匀磁场中，如图所示。若导线ab以恒定的速率v向右运动，求闭合回路的感应电动势。,回路的感应电动势为:,负号表示感应电动势的方向与回路的正方向相反，即沿回路的逆时针方向。,也可不选定回路绕行方向，而是根据楞次定律判断感应电动势的方向，再由 |d/dt| 算出感应电动势的大小。,14,导体运动切割磁力线，将产生动生电动势；而仅由磁场随时间变化产生的电动势则称为感生电动势。这是感应电动势的两种类型。,2 动生电动势,1在
8、磁场中运动的导线内的感应电动势,动生电动势可看成是 由洛仑兹力引起的。,非静电场强,15,2. 电动势的方向：,由负极指向正极，,注意两点,1.运用公式,感应电流在磁场中受安培力的方向：,此由 决定。,16,在一般情况下，磁场可以不均匀,导线在磁场中运动时各部分的速度也可以不同， 和 也可以不相互垂直，这时运动导线内总的动生电动势为,由上式可以看出，矢积 与 成锐角时， 为正；成钝角时， 为负。因此，由上式算出的电动势有正负之分， 为正时，表示电动势方向顺着 的方向； 为负时，则表示电动势的方向逆着 的方向。,对于闭合回路,17,例:长为 L 的铜棒在磁感强度为 B 的均匀磁场中，以角速度在与
9、磁场方向垂直的平面内绕棒的一端O 匀速转动，如图所示，求棒中的动生电动势。,解：,相互垂直，,取dl,dl 上的电动势,由于所有小段上产生的动生电动势的方向都相同，所以，金属棒中总电动势为,U0 UA,18,例:直导线ab以速率v 沿平行于长直载流导线的方向运动，ab与直导线共面，且与它垂直，如图所示。设直导线中的电流强度为I，导线ab长为L，a 端到直导线的距离为d，求导线ab中的动生电动势，并判断哪端电势较高。,解：,应用 求解,在导线ab所在的区域,长直载流导线在 距其r 处取一线元dr ,方向向右。,表明电动势的方向由a 指向b,b 端电势较高。,Ua Ub,19,设矩形线圈ABCD的
10、匝数为N,面积为S，使这线圈在匀强磁场中绕固定的轴线OO 转动。,2在磁场中转动的线圈内的感应电动势,当t =0 时，线圈与B平行，经过时间t，如图所示。,按动生电动势,20,在匀强磁场内转动的线圈中所产生的电动势是随时间作周期性变化的，这种电动势称为交变电动势。在交变电动势的作用下，线圈中的电流也是交变的，称为交变电流或交流。,21,功能转换关系的分析,导体棒AB运动动生电动势回路中产生感应电流I,AB 段受安培力F=IlB， 方向向左。,感应电动势 作功功率P,如要保持匀速向右运动，必须施加与之大小相等方向相反的外力，此外力的功率为,电路中感应电动势的电能是由外力所做机械功转换而来发电机内
11、能量转换关系。,22,穿过导体回路的磁通量发生变化时，在回路中产生的感应电动势称为感生电动势.,实验发现这个感生电动势的大小、方向与导体的种类和性质无关，仅由变化的磁场本身引起。,产生感生电动势的非静电力不可能是洛仑兹力，只能是变化的磁场本身。,3 感生电动势,Maxwell 感生电场（涡旋电场）假设,Maxwell 1861年首先从理论上预言涡旋电场的存在，后被Hertz的电磁波实验所证实。,23,变化的磁场要在其周围空间激发一种电场涡旋电场,Maxwell假设：,涡旋电场 Er 的电力线象涡旋一样是无头无尾的闭合线涡旋电场。其对电荷的作用力是产生感生电动势的非静电力。,感生电动势定义为涡旋
12、电场的环流, 即,由电磁感应定律，回路中的感生电动势也可表示为：,利用涡旋电场加速电子 的加速器已在核物理和 医学上得到广泛的应用。,金属导体中涡旋电场的存在 将以涡电流的形式表现出来。,24,例：半径为R的圆柱形空间内存在垂直于纸面向里的均匀磁场，当磁感应强度 B 以 dB/dt 的变化率均匀增加时，求圆柱形空间内各点处感生电场的场强 Er 。,解：作一半径为r 的假想回路，,通过回路所包围面积的磁通量m=Br2，,回路上各点感生电场Er的方向（如图）。,又由对称性，各点感生电场的大小相等。,r,25,可求出Er的大小为：,（r R）,方向如图所示。,26,将导体放入变化的磁场中时，由于在变
13、化的磁场周围存在着涡旋的感生电场，感生电场作用在导体内的自由电荷上，使电荷运动，形成涡电流。,I涡,涡电流,27,涡电流的应用,工频感应炉的应用,在冶金工业中，某些熔化的活泼稀有金属在高温下容易氧化，将其放在真空环境中的坩埚中，坩埚外绕着通有交流电的线圈，对金属加热，防止氧化。,28,用涡电流加热金属电极,在制造电子管、显像管或激光管时，在做好后要抽气封口，但管子里金属电极上吸附的气体不易很快放出，必须加热到高温才能放出而被抽走,利用涡电流加热的方法，一边加热，一边抽气，然后封口。,29,电磁炉,在市面上出售的一种加热炊具-电磁炉。这种电磁炉加热时炉体本身并不发热，在炉内有一线圈，当接通交流电
14、时，在炉体周围产生交变的磁场，当金属容器放在炉上时，在容器上产生涡电流，使容器发热，达到加热食物的目的。,电磁炉不能使用诸如玻璃、铝、铜的容器加热食品，应使用导磁性能较好的材料制成的容器，如铁皮锅、铸铁锅、含铁不锈钢锅，以及底部是含铁材料的锅具等。原因是铁是导磁体，磁场可在整个锅底部分（而非只是锅底表面）产生涡流，而铝、铜等金属不导磁，磁场只能在这些金属的表面产生感应电流。,30,电度表记录电量,电度表记录用电量，就是利用通有交流电的铁心产生交变的磁场，在缝隙处铝盘上产生涡电流，涡电流的磁场与电磁铁的磁场作用，表盘受到一转动力矩，使表盘转动。,31,涡电流的危害,由于涡电流在导体中产生热效应，
15、在制造变压器时，就不能把铁心制成实心的，这样在变压器工作时在铁心中产生较大的涡电流，使铁心发热，造成漆包线绝缘性能下降，引发事故。,因此在制作变压器铁心时，用多片硅钢片叠合而成，使导体横截面减小，涡电流也较小。 对于电动机的转子和定子也都是用片状的软磁性材料叠合制成的。,32,静电场 E0,感生电场 Ek,起源,由静止电荷激发,由变化的磁场激发,电力线形状,电力线为非闭合曲线,电力线为闭合曲线,Ek,静电场为有源场,感生电场为无源场,感生电场与静电场的区别,33,静电场E0,感生电场Ek,电场的性质,保守场, 可引入势(能),非保守场, 不可引入势(能),静电场为有源场,感生电场为无源场,他们
16、间也有共性：具有场物质形式的所有共性；均对电荷有力的作用，且场强定义相同；在导体中，感生电场可引起电荷的积累从而建立静电场。,34,* 闭合路径同时出现动生和感生电动势的情况,通常用法拉第电磁感应定律,来计算闭合路径中的感应电动势。此方法对动生、感生电动势皆适用。注意此方法直接计算得出的是整个回路的感应电动势，它可能是动生与感生电动势的总和。,35,例：如图所示，有一弯成 角的金属架COD放在磁场中，磁感应强度B的方向垂直于金属架COD所在平面，一导体杆MN垂直于OD边，并在金属架上以恒定的速度v向右滑动，v与MN垂直，设 t=0 时，x=0，求下列两种情况时框架内的感应电动势。,（1）磁场分布均匀，且B不随时间改变,（2）非均匀的时变磁场 B=kxcos(t).,解：,方向：NM,36,（2）非均匀的时变磁场 B=kxcos(t).,感生电动势,动生电动势,37,思考：如何求感生电动势
