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1、物理（机械建筑类） 主编：王美玉第7章第7章7.1.1点电荷7.1.2电场电场强度电场线匀强电场7.2.1电势能7.2.2电势电势差7.2.3匀强电场中电场强度与电势差的关系7.3.1磁场磁感线匀强磁场7.3.2电流的磁场7.4.1左手定则磁感应强度磁通量7.4.2安培定律7.5.1电磁感应现象7.5.2楞次定律7.5.3法拉第电磁感应定律第7章7.6.1互感7.6.2自感7.6.3变压器7.6.4荧光灯的工作原理第7章图7-1电动机第7章7.1.1点电荷【电荷类型】用丝绸摩擦玻璃棒，或者用毛皮摩擦硬橡胶棒，我们会发现硬橡胶棒(或玻璃棒)都能吸引轻小物体。对这种现象我们说硬橡胶棒(或玻璃棒)都
2、带上了电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒带负电荷。【电量】物体所带电荷的多少称为电荷量，简称电量。用Q或q表示，单位是库仑，符号是C。通常正电荷的电荷量用正数表示，负电荷的电荷量用负数表示。摩擦前的绸布和玻璃棒都不带电，它们的电荷量为零。摩擦后，由于一部分电子从玻璃棒转移到了绸布上，绸布和玻璃棒分别带上了等量的异种电荷，但电荷量的代数和为零。如果再让绸布和玻璃棒接触，则它们又都不带电了，这种现象称为电荷的中和。【点电荷】所谓点电荷，是当带电体本身的大小远远小于它与其他带电体的距离，以致带电体的几何形状和电荷的分布对相互作用力的影响可忽略不计时，就可以把它抽象成一个带电的
3、几何点，物理上把这样的带电体称为点电荷。点电荷是经过科学抽象出的物理模型。【真空中的库仑定律】1785年法国物理学家库仑(17361806) 根据实验总结出了点电荷间相互作用的规律：在真空中两个点电荷之间的相互作用力的大小跟它们电荷量的乘积成正比，跟它们距离的二次方成反比，作用力的方向在两个点电荷的连线上。这就是真空中的库仑定律。电荷间的相互作用力称为静电力或库仑力。7.1.1点电荷图7-3两个点电荷之间的相互作用力例7-1试比较电子和质子间的静电力和万有引力的大小。7.1.1点电荷已知电子的质量是m=9.1010-31kg，质子的质量是m=1.6710-27kg，电子和质子的电荷量都是1.6
4、010-19C，它们之间的距离为5.310-11m。解：电子与质子间的库仑力的大小是7.1.2电场电场强度电场线匀强电场图7-4检验电荷在电场中的受力情况【电场】电荷间的相互作用是怎样发生的呢？通过长期的研究，人们认识到电荷的周围存在着一种特殊形式的物质，称为电场。【电场强度】电场中某点的电荷受到的电场力F跟它的电荷量q的比值，称为该点的电场强度，简称场强，通常用符号E表示【电场线】为了形象地描绘电场，我们引入电场线的概念。在电场中画出一系列曲线，使曲线上任一点的切线方向都与该点的场强方向一致，这些曲线称为电场线。7.1.2电场电场强度电场线匀强电场图7-5场强方向示意图【匀强电场】如果电场中
5、的某一区域里，各点场强的大小及方向都相同，这一区域就称为匀强电场。匀强电场是最简单、最常见的电场，在实验研究中经常用到它，匀强电场的电场线是疏密均匀，互相平行的直线7.1.2电场电场强度电场线匀强电场图7-6场强叠加示意图7.1.2电场电场强度电场线匀强电场图7-7电场线示意图a)电场线的切向为场强方向b)电场线的疏密表示场强大小7.1.2电场电场强度电场线匀强电场图7-8几种电场线a) 正点电荷b) 负点电荷c) 两等量异号点电荷d) 两等量同号点电荷7.1.2电场电场强度电场线匀强电场图7-9匀强电场示意图7.2.1电势能图7-12电场力做功与电势能的变化示意图【电势能】物体在重力场中由于
6、与地球之间有相互作用力，因而具有重力势能，与此类似，电荷在电场中受到电场力的作用也具有的能量，我们称为电势能。用符号Ep表示，电势能是标量，它的单位是焦耳(J)。7.2.1电势能【电场力做功与电势能的变化】物体在重力场中由一个位置移动到另一个位置，如果重力做正功，则重力势能减小；如果重力做负功，则重力势能增加。重力做了多少功就有多少重力势能和其他形式的能量发生相互转化。与此相似，电荷在电场中由一个位置移动到另一个位置，如果电场力做正功，则电势能减小，电势能转化为其他形式的能量；如果电场力做负功，则电势能增加，其他形式的能量转化为电势能7.2.2电势电势差图7-13电场力所做的功与移动电荷的路径
7、无关例7-2在电场中，A点的电势为-40V，B点的电势为-20V，【电势】物体的重力势能既与物体的位置有关,又与物体的质量有关。类似地,电荷的电势能不仅与电荷在电场中所处的位置有关，而且还与电荷的电荷量有关。【电势差】电场中任意两点的电势之差，称为这两点的电势差，也称为电压。7.2.2电势电势差将一个电荷量为-210-3C的电荷从A点移动到B点时，求电场力所做的功。解：已知VA=-40V，VB=-20V，q=-210-3C根据式(7-7)，电场力所做的功是WAB=q(VA-VB)=(-210-3)(-40+20)J=410-2J答：电场力所做的功是410-2J。7.2.3匀强电场中电场强度与电
8、势差的关系图7-14等高线地图绘制示意图【等势面】在地图上常用等高线表示地形的高低(见图7-14)，与此类似，在电场中常采用等势面表示电势的高低。7.2.3匀强电场中电场强度与电势差的关系图7-15两种常见电场的等势面示意图a) 匀强电场b) 点电荷电场7.2.3匀强电场中电场强度与电势差的关系图7-16电势差与场强关系示意图例7-3两块平行的带等量异种电荷的金属板，相距为2cm，7.2.3匀强电场中电场强度与电势差的关系两金属板之间的电压是20V，设两金属板之间为匀强电场，求场强是多大？解：已知d=2cm=210-2m，U=20V根据式(7-8)可得E=U/d=20/210-2V/m=1.0
9、103V/mE的方向从正极金属板指向负极金属板。答：两金属板之间的场强是1.0103V/m，方向从正极金属板指向负极金属板。7.3.1磁场磁感线匀强磁场图7-21磁场中小磁针的方向与磁场的关系【磁场】磁体能吸引铁、钴、镍等磁性材料，磁体的这一性质称为磁性。一个磁体上磁性最强的两处称为磁极极和极。同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引。磁极间的相互作用，就是通过磁体在其周围产生的一种特殊物质磁场来传递的。磁场对磁体的作用力称为磁场力，简称磁力。7.3.1磁场磁感线匀强磁场图7-23一条磁感线【磁感线】利用电场线可以描绘电场，与此相同，我们可以用磁感应线来描绘磁场。在磁场中画出一些有方向的曲线，使曲线
10、上每一点的切线方向跟该点的磁场方向一致，这些曲线就称为磁感应线，简称磁感线。图7-23所示是磁场中一条磁感线。7.3.1磁场磁感线匀强磁场7Z24.TIF(1)磁感线是闭合曲线。【匀强磁场】在磁场的某一区域里，如果各点磁感强度的大小和方向都相同，这个区域的磁场就称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是疏密均匀互相平行的直线。7.3.1磁场磁感线匀强磁场(2)磁场中任意两条磁感线都不相交。图7-25条形磁铁的磁感线分布7.3.1磁场磁感线匀强磁场图7-26马蹄形磁铁的磁感线分布7.3.1磁场磁感线匀强磁场图7-27匀强磁场a) 平行异性磁极中间部分磁场b) 通电长螺线管内部磁场7.3.2电流的磁场图7-
11、28奥斯特实验a)小磁针位于通电导线下方b)小磁针位于通电导线上方(1)直线电流的磁场。(2)环形电流的磁场。【电流的磁场】1820年丹麦科学家奥斯特(17771851)从实验中发现，放在通电导体周围(上面或下面)的小磁针发生了偏转现象，如图7-28所示。这种现象如同放在磁体周围的小磁针受到磁力一样，这说明电流周围也存在着磁场，这种现象称为电流的磁效应。7.3.2电流的磁场图7-29直线电流的磁场7.3.2电流的磁场图7-30环形电流的磁场(3)螺线管电流的磁场。7.3.2电流的磁场图7-31螺线管电流的磁场a)磁感线分布b)安培定则7.3.2电流的磁场图7-32继电器工作原理示意图【继电器】
12、继电器是一种当输入量(电、磁、声、光、热)达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，广泛应用于远程控制方面。7.3.2电流的磁场图7-33分子电流与磁性的关系a)分子电流b)未被磁化c)被磁化【磁性源于电荷的运动】通电螺线管与条形磁铁之间的相似性，给人们以启示：磁铁和电流都产生磁场，磁铁的磁场是否也来源于电流呢？安培在实验的基础上，提出了著名的分子电流假说：物体的每个分子就是一个环形电流，称为
13、分子电流，如图7-33a所示，它使分子成为一个微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极。这一假说能圆满地解释各种磁现象。在未磁化的物体内，分子电流的取向杂乱无章，如图7-33b所示，它产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。物体被磁化后，各分子电流的取向大致相同，如图7-33c所示，对外显磁性，两端形成磁极。7.4.1左手定则磁感应强度磁通量图7-38左手定则示意图【左手定则】通电导线在磁场里要受到力的作用，力的方向跟电流方向和磁感线方向有关。实验表明，这三者的关系符合左手定则：伸开左手，使拇指与四指垂直并在同一平面内，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，则拇指所指方向就是通电导线受力方向，如图7-3
14、8所示。实验还发现，当电流方向与磁场方向垂直时，受到的力最大，当电流方向和磁场方向平行时，受力为零。7.4.1左手定则磁感应强度磁通量图7-39电流天平示意图【磁感应强度】我们把磁场中某点，垂直于磁场方向的通电导线受到的安培力F跟通过导线的电流I和导线长度L乘积IL的比值，称为该点的磁感应强度，用符号B表示。7.4.1左手定则磁感应强度磁通量图7-40磁通量示意图【磁通量】如图7-40所示，穿过磁场中某一给定面积图7-40磁通量示意图的磁感线的总条数，称为穿过该面积的磁通量，简称磁通，用表示。在磁感应强度为B的匀强磁场中，垂直于磁场方向的给定面积是S，则穿过给定面积S内的磁通量就等于B和S的乘
15、积，即=BS7.4.2安培定律图7-43安培定律【安培定律】在匀强磁场中，当通电导线与磁场垂直时，安培力F等于磁感强度B、电流I和导线长度L三者的乘积，这一规律称为安培定律。7.4.2安培定律图7-44例7-4图例7-4如图7-44所示，7.4.2安培定律把长20cm通有2A电流的直导线垂直放入磁感应强度为1.2T的匀强磁场中，导线所受的安培力是多大？方向如何？解：根据式(7-11)，直导线所受安培力是F=BIL=1.220.2N=0.48N图7-45平行通电直导线间的相互作用a) 相互吸引b) 相互排斥c) 相互吸引原理分析图7.4.2安培定律图7-46通电线圈在磁场中的转动【通电线圈在磁场
16、中的转动】若线圈为N匝，则所受到的最大磁力矩是M=NIBS。7.5.1电磁感应现象图7-48实验一示意图在一定的条件下，磁场能产生电流。这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流称为感应电流。7.5.1电磁感应现象图7-49实验二示意图7.5.1电磁感应现象图7-50实验三示意图7.5.2楞次定律图7-53楞次定律实验(1) 确定原来磁场的方向。(2)明确穿过闭合电路的原磁通量是增加还是减少。【楞次定律】楞次定律实验俄国物理学家楞次(18041865)通过大量的实验分析，于1834年总结出判断感应电流方向的方法：感应电流的方向，总是使它所产生的磁场阻碍穿过闭合电路的原磁通量的变化，这就是楞次定律。
17、应用楞次定律确定感应电流方向的一般步骤如下：7.5.2楞次定律(3)根据楞次定律确定感应电流产生的磁场方向。(4)根据右手螺旋定则，判断感应电流的方向。图7-54例7-5图7.5.2楞次定律例7-5在图7-50所示的实验中，线圈B套在线圈A的外面，其俯视图如图7-54所示，当开关S断开的瞬间，线圈B中感应电流的方向如何？解：由图可知，线圈A中电流为顺时针方向，则原来的磁场方向向里，开关S断开，电流减少，磁场减弱，穿过线圈B的磁通量减少，由楞次定律可知，线圈B中感应电流的磁场与原磁场相同，根据安培定则，线圈B的感应电流方向也是顺时针方向。7.5.2楞次定律【右手定则】闭合电路的一部分导体做切割磁
18、感线运动时，感应电流的方向可用右手定则来判定：伸开右手，让拇指跟其余的四指垂直且跟手掌在同一平面内，让磁感应线垂直穿入手心，拇指指向导体运动方向，其余四指所指的方向就是感应电流的方向，如图7-55所示。图7-55右手定则判断电流方向7.5.3法拉第电磁感应定律【感应电动势】闭合回路中必须有电动势才会有电流。电磁感应发生时，闭合回路中产生了感应电流，说明回路中有电动势存在。我们把在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势。【电磁感应定律】法拉第从大量实验中总结出：单匝线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的变化率/t成正比，这个结论称为法拉第电磁感应定律。采用国际单位制时，这个定律可表示为=/
19、t为了得到较大的感应电动势，可采用多匝线圈。当每匝线圈的磁通量变化率相同时，有=N/t(7-13)式中的N为线圈匝数。计算取绝对值。该公式计算的是在时间t内，线圈中的感应电动势的平均值。7.5.3法拉第电磁感应定律例7-6有一个1000匝的线圈，在0.4s内穿过它的磁通量从0.01Wb均匀地增加到0.09Wb，求线圈中的感应电动势。如果线圈的电阻是10，当它跟90的电热器串联组成闭合电路时，通过电热器的电流是多大？解：依题意，磁通量的变化量为=(0.09-0.01)Wb=0.08Wb=N/t=10000.08/0.4V=200V通过电热器的电流为I=/(R+r）=200/(90+10)A=2A
20、答:线圈中的感应电动势200V；通过电热器的电流是2A。图7-60直线导体垂直切割磁感线时产生的感应电动势7.5.3法拉第电磁感应定律例7-7如图7-60所示，匀强磁场的磁感应强度为0.1T，长0.4m的导线ab以10m/s的速度在导电的轨道CD、EF上匀速地向右滑动，导线ab与速度v的方向垂直。当整个线框的电阻是R=0.5时，试分析：(1)ab两端哪一端电势高？(2)感应电动势多大？(3)感应电流的大小和方向？(4)使导线向右做匀速直线运动所需的外力大小？解：(1)应用右手定则可得，感应电流的方向由b到a，因ab相当于电源故a点电势高。(2)感应电动势的大小(3)由欧姆定律得感应电流大小为(
21、4)因为导线做匀速运动，所以所受外力与安培力是一对平衡力。7.5.3法拉第电磁感应定律7.6.1互感图7-62互感现象【互感】两个相邻的闭合回路，当其中一个闭合回路中的电流发生变化时，另一个闭合回路中会产生感应电动势的现象，称为互感现象，简称互感。7.6.1互感图7-63感应圈外形【感应圈】感应圈的外形如图7-63所示，感应圈是一种利用互感现象获得高压的升压变压器，其构造原理如图7-64所示。在铁心M上，套着两个彼此绝缘的线圈。其中连接电源的线圈称为一次绕组，它用较粗的绝缘导线绕成，匝数不多；套在外面的线圈称为二次绕组，它由较细的绝缘导线绕成，匝数很多，两端分别接到两根绝缘的金属棒上，两棒间形
22、成可调整的空气间隙G。7.6.1互感图7-64感应圈构造原理示意图7.6.1互感图7-65汽油发动机的点火装置示意图7.6.2自感图7-66自感实验示意图【自感】从以上实验可以看出，当导体中的电流发生变化时，导体本身就会产生感应电动势，这个电动势总是要阻碍导体中原来电流的变化。这种由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，称为自感现象，简称自感。在自感现象中产生的电动势，称为自感电动7.6.2自感图7-67荧光灯电路中的镇流器【自感系数】自感电动势跟其他感应电动势一样，跟穿过线圈的磁通量变化率/t成正比，而磁通量跟磁感强度成正比，磁感应强度B又跟产生磁场的电流变化率成正比。于是自感电动势
23、跟电流的变化率成正比7.6.3变压器图7-69变压器结构原理示意图例7-8用一个降压器从110V的电源向某一电器提供6.3V的电压，【变压器】图7-69中，在一个以硅钢片叠制而成的闭合铁心上，用绝缘导线绕着两组匝数不同的导线，这就是一个最简单的变压器了。把其中跟电源相连的线圈称为一次绕组，跟负载相连的线圈称为二次绕组，交变的电流通过一次绕组时，图7-69变压器结构原理示意图由于互感作用而在二次绕组中感应出交变电压。7.6.3变压器试计算一次绕组和二次绕组的匝数比。如果输入的电流是0.5A，求二次绕组上可以得到的最大电流是多大？解：由公式=得图7-70自耦变压器a)自耦变压器b)降压原理图c)升
24、压原理图7.6.3变压器7.6.3变压器图7-71调压变压器a)调压变压器外形b)调压变压器原理图7.6.3变压器图7-72电流互感器a)电流互感器外形b)用互感器测大电流7.6.3变压器图7-73电压互感器a) 电压互感器外形b) 用互感器测高电压7.6.3变压器图7-74感应电炉7.6.3变压器图7-75电磁灶工作原理示意图7.6.4荧光灯的工作原理图7-76荧光灯电路图与辉光启动器结构示意图a)荧光灯电路图b)辉光启动器结构示意图7.6.4荧光灯的工作原理图7-77荧光灯管7.7电源污染与保护【电磁污染】电磁污染是指天然的与人为的各种电磁波的干扰及有害的电磁辐射。由于广播、电视、微波技术
25、的发展，射频设备的功率成倍增加，地面上的电磁辐射大幅度增加，已达到直接威胁人体健康的程度。电场和磁场的交互变化产生电磁波。电磁波向空中发射或汇汛的现象，称为电磁辐射。过量的电磁辐射就会造成电磁污染。【电磁污染的分类】影响人类生活环境的电磁污染可分天然电磁污染和人为电磁污染两大类。【电磁辐射污染来源设备】高频感应加热设备，如高频感应加热、淬火、高频焊接和高频熔炼设备等；高频介质加热设备，如塑料热合机、高频干燥处理机和介质加热联动机等；短波、超短波理疗设备；无线电广播及通信设备(如手机)；微波加热与发射设备。【电磁辐射容易超标的地方】距离电脑设备0.61.5m的区域内；居室中电视、音响等家用电器比
26、较集中的地方；单位电器设备周围；广播电视发射塔周围；各种微波塔周围；雷达周围；高压变电线路及设备周围。【电磁污染的危害】电磁辐射可以引起易爆物质和电爆兵器控制失灵，发生意外爆炸；电磁辐射可以引起挥发性液体或气体燃烧；从大功率微波和射频设备泄漏出来的电波，会向空间辐射，形成空间电波噪声。空间电波噪声可以干扰位于这个区域范围内的各种电子设备的正常工作；电磁辐射影响人体健康，其中微波对人体健康危害最大，中长波最小。过量的电磁辐射直接影响大脑组织发育、骨髓发育，造成视力下降、造血功能下降，导致癌症等；日常生活中的广播、电视效果突然变差，几乎都是由于电磁干扰造成的。 【电磁污染的防护】对于电磁辐射的伤害
27、不能存有侥幸心理，要高度重视。老人、儿童和孕妇属于电磁辐射的敏感人群，在有电磁辐射的环境中活动时，应根据辐射频率或场强特点，采取合理的措施加以防护。防护电磁污染应注意以下几个方面：(1)不要把家用电器摆放得过于集中，以免使自己暴露在超量辐射的危险之中(2)注意人体与电器设备的距离，如电视机与人的距离应保持在45m，与荧光灯管距离应保持在23 m，微波炉在开启之后要离开至少1m，孕妇和小孩应尽量远离微波炉。(3)各种家用电器、办公设备、移动电话等都应尽量避免长时间操作，同时尽量避免多种电器同时启用。(4)改进电器设备，尽量采用电磁辐射吸性材料或装置，采用遥控和遥测技术，提高自动化程度。(5)在电磁场传递的途径中，安装屏蔽装置，使有害的电磁强度降低到容许范围内。(6)尽量使电磁污染源远离居民稠密区。(7)食用富含维生素A、维生素C和蛋白质的食物，加强机体抵抗电磁辐射的能力。7.7电源污染与保护图7-79上海磁悬浮列车(1) 悬浮原理。7.7电源污染与保护图7-80超导磁悬浮列车结构示意图7.7电源污染与保护图7-81超导磁悬浮列车推进系统示意图(2) 推进原理。7.7电源污染与保护图7-82电磁轨道炮原理图7.7电源污染与保护
