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1、第第1111章章 电磁感应与电磁理论电磁感应与电磁理论结构框图结构框图法拉第电磁感法拉第电磁感应定律应定律动生、感生动生、感生电动势电动势磁场磁场能量能量麦克斯韦的麦克斯韦的电磁理论电磁理论电动势的概念电动势的概念自感、互感自感、互感现象现象 法拉第法拉第（Michael Faraday, 1791-1867），伟大的英国物理学），伟大的英国物理学家和化学家家和化学家.他创造性地提出场的他创造性地提出场的思想，磁场这一名称是法拉第最思想，磁场这一名称是法拉第最早引入的早引入的.他是电磁理论的创始人他是电磁理论的创始人之一，于之一，于1831年发现电磁感应现年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定
2、律，物象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，以及光的质的抗磁性和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转偏振面在磁场中的旋转.11.1 电源电动势电源电动势 电源作用：电源作用：提供非静电力提供非静电力 ，将，将 由负极板移向正极，由负极板移向正极，保持极板间电势差，保持极板间电势差， 以形成持续的电流。以形成持续的电流。+ -作用机理：作用机理： 反抗反抗 做功，做功， 将其他形式能转变为电能将其他形式能转变为电能断路：断路：时平衡时平衡通路通路外电路：外电路：内电路：内电路：作用，将作用，将 由正极由正极 负极负极将将 由负极由负极 正极正极共同作用形成持续电流。共同作用形成持续电流
3、。能量转换能量转换外电路：外电路：内电路：内电路：做功如何做功如何 ？非静电场强：非静电场强：非静电力搬运单位正电荷绕闭合回路一周做功：非静电力搬运单位正电荷绕闭合回路一周做功：非静电力为非保守力非静电力为非保守力：可量度电源将其他形式能：可量度电源将其他形式能 转变为电能的能力大小转变为电能的能力大小定义：定义：电源电动势电源电动势若若 只在内电路存在：只在内电路存在：规定指向：规定指向：练习：练习： 1. 电源路端电压电源路端电压电源电动势电源电动势比较比较试比较电源路端电压和电源电动势这两个概念试比较电源路端电压和电源电动势这两个概念练习：练习： 2. 单位正电荷从电源正极出发，沿闭合回
4、路一周，单位正电荷从电源正极出发，沿闭合回路一周，又回到电源正极时，下列哪种说法正确？又回到电源正极时，下列哪种说法正确？ 1) 静电力所做总功为零；静电力所做总功为零； 2) 非静电力所做总功为零；非静电力所做总功为零； 3) 静电力和非静电力做功代数和为零；静电力和非静电力做功代数和为零； 4) 在电源内只有非静电力做功，在电源内只有非静电力做功， 在外电路只有静电力做功。在外电路只有静电力做功。 一一 电磁感应现象电磁感应现象11.2 电磁感应电磁感应二二. . 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律1820年：奥斯特实验：年：奥斯特实验： 电电 磁磁1821 -1831年：法拉第实验：年
5、：法拉第实验： 磁磁 电电对称性对称性内容：内容：闭合回路中感应电动势的大小与通过回路的闭合回路中感应电动势的大小与通过回路的 磁通量的变化率成正比：磁通量的变化率成正比：: : 通过线圈的磁通链数通过线圈的磁通链数（全磁通）（全磁通）讨论：讨论： (1) 式中负号含义式中负号含义, , 楞次定律的本质是什么？楞次定律的本质是什么？ (2) 引起引起 变化的原因有哪些？与参考系选择有关吗？变化的原因有哪些？与参考系选择有关吗？(1) 式中负号含义式中负号含义, , 楞次定律的本质是什么？楞次定律的本质是什么？如右所示，用楞次定律分析可知，无论如右所示，用楞次定律分析可知，无论磁棒插入还是拔出线
6、圈的过程中，都要磁棒插入还是拔出线圈的过程中，都要克服磁阻力而作功，正是这部分机械功克服磁阻力而作功，正是这部分机械功转化成感应电流所释放的焦耳热，所以转化成感应电流所释放的焦耳热，所以小灯泡亮了。小灯泡亮了。能量守恒能量守恒 (2) 引起引起 变化的原因有哪些？与参考系选择有关吗？变化的原因有哪些？与参考系选择有关吗？引起引起 变化的原因：变化的原因：对线圈参考系：对线圈参考系： 变化变化对磁铁参考系：对磁铁参考系： 不同惯性系中的变换很难概括为一个简单公式，不同惯性系中的变换很难概括为一个简单公式，分两种情况处理。分两种情况处理。二二. . 动生电动势动生电动势 1. 磁场不变，导体运动引
7、起穿过回路的磁通量变化磁场不变，导体运动引起穿过回路的磁通量变化 所产生的感应电动势叫动生电动势。所产生的感应电动势叫动生电动势。平衡时平衡时 电源，电源， 反抗反抗 做功，将做功，将 由负极由负极 正极，正极， 维持维持 的非静电力的非静电力 洛仑兹力洛仑兹力2. 产生机理：产生机理：产生产生 的非静电力是什么？的非静电力是什么？产生产生 的非静电力的非静电力非静电场强非静电场强由电动势定义：由电动势定义：或：或：注注注注: : : : 动生电动势只存在于运动导体内。动生电动势只存在于运动导体内。3. 能量关系能量关系充当非静电力的只是载流子充当非静电力的只是载流子所受总磁场力的一个分力所受
8、总磁场力的一个分力洛仑兹力不对运动电荷做功洛仑兹力不对运动电荷做功洛仑兹力充当非静电力洛仑兹力充当非静电力矛盾？矛盾？思考：思考：+ +4. 计算（计算（两种方法两种方法） (2) 由法拉第定律求由法拉第定律求如果回路不闭合，需加辅助线使其闭合。如果回路不闭合，需加辅助线使其闭合。 大小和方向可分别确定。大小和方向可分别确定。 (1) 由电动势定义求由电动势定义求例例1 1：长长 的铜棒的铜棒 ，绕其固定端，绕其固定端 在均匀磁场在均匀磁场 中中 以以 逆时针转动逆时针转动 ，铜棒与，铜棒与 垂直垂直 ，求，求 解一解一 ：取线元取线元与与 同向同向解二：解二：构成扇形闭合回路构成扇形闭合回路
9、由楞次定律由楞次定律: :例例2. 如图所示，一矩形导线框在无限长载流导线如图所示，一矩形导线框在无限长载流导线I 的场的场中向右运动，求其动生电动势。中向右运动，求其动生电动势。 解一：解一：方向方向方向方向解二：解二：方向方向三三. . 感生电动势感生电动势1. 导体回路不动，由于磁场变化产生的感应电动导体回路不动，由于磁场变化产生的感应电动 势叫感生电动势。势叫感生电动势。2. 产生感生电动势的非静电力？产生感生电动势的非静电力？问题：问题：(1) 是不是洛仑兹力？是不是洛仑兹力？不是洛仑兹力不是洛仑兹力假设：假设： 存在一种不同于静电场的新类型的电场存在一种不同于静电场的新类型的电场
10、（感生电场、涡旋电场）。（感生电场、涡旋电场）。它来源于磁场的它来源于磁场的 变化，并提供产生感生电动势的非静电力。变化，并提供产生感生电动势的非静电力。(2) 会是什么力？会是什么力？电荷受力电荷受力不是洛仑兹力，不是静电力，不是洛仑兹力，不是静电力，只可能是一种新型的电场力只可能是一种新型的电场力电荷受力电荷受力非静电力：涡旋电场力非静电力：涡旋电场力( (感生电场力感生电场力) )电荷受力：电荷受力：非静电力：非静电力：非静电场强：非静电场强：由电动势定义：由电动势定义：由法拉第定律：由法拉第定律：得：得：感生电场是感生电场是非保守场。非保守场。楞次定律表述楞次定律表述又：又：感生电场线
11、闭合成环感生电场线闭合成环感生电场感生电场是无源场。是无源场。3. 两种电场比较两种电场比较静止电荷静止电荷变化磁场变化磁场有源，保守场有源，保守场无源，非保守场无源，非保守场(涡旋涡旋)不能脱离源电荷存在不能脱离源电荷存在 可以脱离可以脱离“源源”在空间传播在空间传播 作为产生作为产生 的非静电力，可以引起导体中的非静电力，可以引起导体中电荷堆积，从而建立起静电场电荷堆积，从而建立起静电场 .起源起源性质性质特点特点对场中电对场中电荷的作用荷的作用联系联系静电场静电场感生电场感生电场由于由于 作用在导体作用在导体 中建立起静电场。中建立起静电场。4. 感生电场存在的实验验证感生电场存在的实验
12、验证电子感应加速器电子感应加速器( (医疗，工业探伤，中低能粒子物医疗，工业探伤，中低能粒子物理实验理实验) )，涡流，涡流( (冶金冶金) )5. 感生电动势的计算感生电动势的计算两种方法：两种方法：1. 由电动势定义求（由电动势定义求（ 已知或易求已知或易求 ）或或2. 由法拉第定律由法拉第定律若导体不闭合，需加辅助线构成闭合回路。若导体不闭合，需加辅助线构成闭合回路。例例1 1：求：求： 各边各边梯形边长梯形边长已知：已知：半径半径解：解：连接连接半径半径取三角形回路取三角形回路取三角形回路取三角形回路梯形回路梯形回路讨论讨论 同时存在的情况同时存在的情况 . .例例2 2：已知：已知：求：求：回路回路 中中解：解：同时存在同时存在设设 不变：不变：设导线不动设导线不动例题例题3 3：已知：已知：求：求：直接由法拉第电磁感应定律求解：直接由法拉第电磁感应定律求解：解：解：同时存在同时存在第一项：第一项：第二项：第二项：
