《清华大学大学物理经典课件——电磁感应》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华大学大学物理经典课件——电磁感应（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 1 陈信义编陈信义编 第第10章章 电磁感应电磁感应电磁学（第三册）电磁学（第三册）2 2 电电磁磁感感应应现现象象揭揭示示了了电电与与磁磁之之间间的的联联系系和和转转化化，为为人人类类获获取取电电能能开开辟辟了了道道路路，引引起起了了一一场场重大的工业和技术革命。重大的工业和技术革命。电流电流磁场，磁场磁场，磁场电流？电流？ 经经过过失失败败和和挫挫折折(18221831)，法法拉拉第第终终于于发发现现：感感应应电电流流与与原原电电流流的的变变化化有有关关，而而与与原原电电流本身无关。流本身无关。 在在恒恒定定电电流流的的磁磁场场中中，导导线线中中无无电电流流法法拉拉第感到迷惑。第感到迷
2、惑。3 3 1831年年法法拉拉第第总总结结出出以以下下五五种种情情况况都都可可产产生生感感应应电电流流：变变化化着着的的电电流流，运运动动着着的的恒恒定定电电流流，在磁场中运动着的导体，在磁场中运动着的导体， 变变化化着着的的磁磁场场，运运动动着的磁铁。着的磁铁。4 4 1832年年法法拉拉第第发发现现，在在相相同同的的条条件件下下，不不同同金金属属导导体体中中产产生生的的感感应应电电流流的的大大小小，与与导导体体的的电导率成正比。电导率成正比。 他他认认为为，当当通通过过回回路路的的磁磁力力线线根根数数( (即即磁磁通通量量) )变变化化时时，回回路路里里就就会会产产生生感感应应电电流流，
3、从从而而揭示出了产生感应电动势的原因。揭示出了产生感应电动势的原因。 他他意意识识到到：感感应应电电流流是是由由与与导导体体性性质质无无关关的的感感应应电电动动势势产产生生的的；即即使使不不形形成成导导体体回回路路，这这时时不不存存在在感感应应电电流流，但但感感应应电电动动势势却却仍仍然然有有可可能存在。能存在。5 510.1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律10.3 感生电动势和感生电场感生电动势和感生电场10.5 自感自感 10.2 动生电动势动生电动势10.4 互感互感 10.6 磁场的能量磁场的能量10.7 超导的电磁特性（教材超导的电磁特性（教材P354-368）目目 录录【演演
4、示示实实验验】发发光光二二极极管管演演示示电电磁磁感感应应、万万用用变变压压器器演演示示涡涡流流（跳跳圈圈、加加热热）、涡涡流流的的阻阻力力（磁磁体体在在铝管内运动铝管内运动）、涡流阻尼摆、超导磁悬浮列车、涡流阻尼摆、超导磁悬浮列车6 6 当当穿穿过过闭闭合合导导体体回回路路所所限限定定的的面面积积的的磁磁通通量量发生变化时，回路中将发生变化时，回路中将产生感应电流。产生感应电流。10.1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律闭合导体闭合导体闭合回路闭合回路的正方向：的正方向：L 的方向的方向的正方向：的正方向：与与L 成右手螺旋成右手螺旋感应电动势：感应电动势：【演示实验演示实验】发光二极管
5、演示电磁感应发光二极管演示电磁感应7 7感应电流的磁场感应电流的磁场 阻碍磁通量的变化阻碍磁通量的变化SS 8 8N 匝线圈情况：匝线圈情况：涡流涡流（Eddy current）：）： 大块导体处于变化磁场中，或相对于磁场运大块导体处于变化磁场中，或相对于磁场运动，导体内产生闭合的涡旋状的感应电流。动，导体内产生闭合的涡旋状的感应电流。电磁灶和变压器铁芯电磁灶和变压器铁芯异步电动机异步电动机【演演示示实实验验】万万用用变变压压器器演演示示涡涡流流（跳跳圈圈、加加热热）、涡流的阻力涡流的阻力（磁体在铝管内运动磁体在铝管内运动）、涡流阻尼摆、涡流阻尼摆磁链磁链9 9磁通可按不同方式变化磁通可按不同
6、方式变化感应电动势感应电动势:感生电动势感生电动势一般情况：一般情况：磁场变化磁场变化 同时同时 回路运动回路运动 :动生电动势动生电动势磁场变化、回路静止磁场变化、回路静止磁场恒定、回路运动磁场恒定、回路运动【思考思考】非静电力是什么？非静电力是什么？感生电场感生电场Lorentz力力101010.2 动生动生（motional）电动势电动势 回回路路或或其其一一部部分分相相对对恒恒定定磁磁场场运运动动，引引起起穿过回路的磁通变化穿过回路的磁通变化 动生电动势。动生电动势。非静电力：非静电力：动生电动势：动生电动势：【思考思考】点点b、a间的电势间的电势+ +- -baf【思考思考】?111
7、1x xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx x 任任意意形形状状的的导导线线回回路路L L，在在恒恒定定磁磁场场中中运运动动或形变，回路中产生的动生电动势为或形变，回路中产生的动生电动势为1212外外【例例】Lorentz 力不作功，只传递能量。力不作功，只传递能量。Lorentz 力不作功是指力不作功是指1313外力作功外力作功 感生电流能量感生电流能量外外1414【例例】法拉第圆盘（金属）法拉第圆盘（金属）R 切割切割 B 线线 动生电动势动生电动势151510.3 感生电动势和感生电场感生电动势和感生电场场场的的观观点点：变变化化的的磁
8、磁场场在在其其周周围围空空间间激激发发感感生生电场电场 产生感生电动势产生感生电动势的非静电力场的非静电力场 回路静止，仅由磁场的变化引起穿过回路的回路静止，仅由磁场的变化引起穿过回路的磁通变化所产生的电动势磁通变化所产生的电动势 感生感生（induced）电动势电动势1616 即即使使没没有有导导体体存存在在，变变化化的的磁磁场场也也会会在在空空间间激发涡旋状的感生电场激发涡旋状的感生电场（非静电场非静电场）L 的方向：的方向： 的正方向的正方向微分形式：微分形式：“变化的磁场会激发电场变化的磁场会激发电场”1717【例例】电子感应加速器电子感应加速器（Betatron）B 轴对称轴对称E感
9、感 轴对称轴对称？加速加速vE感感加速加速Lorentz力力指向圆心指向圆心1818任何电场都可以写成任何电场都可以写成其中其中因此，因此，任何电场都满足任何电场都满足1919真空中电场的基本规律真空中电场的基本规律微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：2020计算感应电动势的两个公式计算感应电动势的两个公式1、通量法则通量法则2、按感生和动生电动势计算按感生和动生电动势计算212110.4 互感互感 互互感感电电动动势势不不仅仅与与电电流流改改变变的的快快慢慢有有关关，而而且且也也与与两两个个线线圈圈的的结结构构以以及及它它们们之间的相对位置有关。之间的相对位置有关。 一一个个线线圈圈中中
10、电电流流的的变变化化，在在另另一一线线圈圈中中产产生生感感应应电电动动势势，这这称称为为互互感感现现象象。这这种种电电动动势势称称为为互感电动势互感电动势。2222 21 I1 的磁场的磁场B1通过线圈通过线圈2的的磁链磁链由毕奥由毕奥萨定理：萨定理：M21线圈线圈1对对2 的的互感系数互感系数的正向与的正向与 成右手螺旋。成右手螺旋。1、线圈、线圈1电流电流I1变化变化 线圈线圈2感生电动势感生电动势2323感生电动势：感生电动势：2、线圈、线圈2 电流电流I2变化变化 线圈线圈1感生电动势感生电动势M12 线圈线圈2对对1 的互感系数的互感系数2424可以证明（可以证明（P339 例例10
11、.9） 无无铁铁磁磁质质时时，M与与两两个个线线圈圈中中的的电电流流无无关关，只只由由线线圈圈的的形形状状、大大小小、匝匝数数、相相对对位位置置及及周周围围磁磁介介质质的的磁磁导导率率决决定定。但但有有铁铁磁磁质质时时， M 还与线圈中的电流有关。还与线圈中的电流有关。2525 通通过过互互感感线线圈圈使使能能量量或或信信号号由由一一个个线线圈圈传传递到另一个线圈。递到另一个线圈。 由于互感，电路之间会互相干扰。由于互感，电路之间会互相干扰。可采用可采用磁屏蔽等方法来减小这种干扰。磁屏蔽等方法来减小这种干扰。三、互感的应用三、互感的应用 例例如如电电源源变变压压器器、中中周周变变压压器器、输输
12、入入、输输出变压器以及电压和电流互感器等。出变压器以及电压和电流互感器等。2626【例例】长直螺线管内放一垂直圆环，求互感。长直螺线管内放一垂直圆环，求互感。 设螺线管通电流设螺线管通电流i1，通过圆环的磁链，通过圆环的磁链i1【思考思考】设圆环通过电流设圆环通过电流 i2，求，求 M.2727系数系数L（0）自感系数、自感自感系数、自感 当当电电流流 I 变变化化时时，通通过过该该线线圈圈的的全全磁磁通通（磁磁链链） 也也发发生生变变化化，因因而而在在这这个个线线圈圈中中将产生感生电动势将产生感生电动势 自感电动势自感电动势10.5 自感自感2828 自感的应用：自感的应用：稳流，稳流，LC
13、电路（振荡，滤波），灭弧保护电路（振荡，滤波），灭弧保护 自自感感电电动动势势 的的正正方方向向取取为为电电流流 的的方方向向，否则式中负号消失！否则式中负号消失！2929【例例】求总自感求总自感 L总电动势总电动势II3030总电动势：总电动势：总自感：总自感：1、顺接顺接I 磁场彼此加强，自感电磁场彼此加强，自感电动势和互感电动势同向。动势和互感电动势同向。 3131总自感：总自感：2、反接反接I设设 磁场彼此减弱，自感电磁场彼此减弱，自感电动势和互感电动势反向。动势和互感电动势反向。 总电动势：总电动势：若若，则，则。3232：螺线管体积：螺线管体积【例例】求长直螺线管的自感系数求长直螺
14、线管的自感系数3333【例例】RL电路电路1、充电、充电3434 时时间间常常数数 表表示示电电流流与与其其最最大大值值的的差差变变为为最最大值的大值的 所经过的时间。所经过的时间。时间常数时间常数 : : 35352、放电、放电电流随时间按指数规律减少。电流随时间按指数规律减少。3636【例例】趋肤效应趋肤效应 直流电路均匀导线横截面直流电路均匀导线横截面上的电流密度均匀分布。上的电流密度均匀分布。 但但在在交交流流电电路路中中，随随着着频频率率的的提提高高，导导线线横横截截面面上上的的电电流流分分布布越越来来越越向向导导线线表表面面集集中中，这这种种现现象象称称为为趋趋肤肤效效应应。趋趋肤
15、肤效效应应使使导导线线的的有有效效截截面面积积减减小小，从从而而使使其其等等效效电阻增大。电阻增大。 波导管波导管交变电磁场交变电磁场涡流涡流趋肤效应趋肤效应373710.6 磁场的能量磁场的能量一、自感磁能一、自感磁能断开电源，灯为什么还亮一下？断开电源，灯为什么还亮一下？ 线圈中磁场具有能量线圈中磁场具有能量3838自感电动势做功自感电动势做功消耗自感线圈中的能量消耗自感线圈中的能量3939通有电流通有电流I的自感线圈的自感线圈L的磁能的磁能自感磁能总取正值自感磁能总取正值4040【例例】( (教材教材P339, 例例10.9) ) 两互相邻近的互感两互相邻近的互感为为M的线圈的电流分别为
16、的线圈的电流分别为I1和和I2，求磁能。，求磁能。当两线圈产生的磁场相互加强当两线圈产生的磁场相互加强（减弱）（减弱）时，时，取正取正（负）（负）号。号。结论：结论：（互感磁能）（互感磁能）（自感磁能）（自感磁能）4141二、磁场的能量二、磁场的能量磁能定域在磁场中。磁能定域在磁场中。以填充非铁磁介质的长直螺线管为例以填充非铁磁介质的长直螺线管为例磁场能量密度：磁场能量密度：4242电磁场的能量密度电磁场的能量密度在普遍情况下在普遍情况下4343三、通过磁场能求自感三、通过磁场能求自感按磁链求按磁链求，通过磁场能求通过磁场能求?444410.7超导的电磁特性（教材超导的电磁特性（教材P354-
17、368）1911年翁纳斯年翁纳斯(K. Onnes，荷兰荷兰) )首次发现：首次发现： 电阻电阻(W W) 0T (K)4.24.3Hg 后来相继发现后来相继发现 28 种元素、种元素、5000多种合金和化多种合金和化合物以及在高压下合物以及在高压下15种元素都有超导电性。种元素都有超导电性。液液氦氦(TC=4.2K,临临界界温温度度)中中的的固固态态Hg样样品品的的电电阻突然趋于零阻突然趋于零（1913年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）4545 一些超导材料的临界温度一些超导材料的临界温度 物质物质 Tc(K) 发现年代发现年代 汞汞(Hg) 4.2 1911 铅铅(Pb) 7.2 1913
18、铌铌(Nb) 9.2 1930 钒三硅钒三硅 17.1 1953 铌铝锗铌铝锗 20.5 1967 铌三锗铌三锗 23.2 1973 YBa2Cu3O790 1987 高温超导高温超导4646一、零电阻性一、零电阻性超导环实验：超导环实验： 将磁场中的铅环冷却将磁场中的铅环冷却 TC=7.2K 以下，撤以下，撤去磁场，环中产生感应电流。去磁场，环中产生感应电流。 2.5年内未发现电流有衰减！年内未发现电流有衰减！超导超导铅环铅环4747二、完全抗磁性二、完全抗磁性（Meissner 效应，效应，1933） 超导体内部的磁场总为零，磁通总是超导体内部的磁场总为零，磁通总是被排出超导体外。被排出超
19、导体外。 磁场磁场B并非在超导体表面突降为零并非在超导体表面突降为零, ,而而是渗入表面一薄层后变为零。透入深度是渗入表面一薄层后变为零。透入深度 10-5 cm。 厚度厚度 10-5 cm的超导薄膜，不可能有的超导薄膜，不可能有迈斯纳效应。迈斯纳效应。 4848完全抗磁性实验：完全抗磁性实验： 将将条条形形磁磁铁铁放放在在超超导导铅铅碗碗（浸浸在在液液氦氦中中的的铅铅碗碗）中中。因因超超导导铅铅碗碗的的抗抗磁磁性性对对磁磁铁铁产产生生的的斥斥力力，磁磁铁铁悬浮在碗的上方。悬浮在碗的上方。 一一块块磁磁铁铁悬悬浮浮在在已已进进入入超超导导态态的的超超导材料上导材料上4949超导态的临界参量：超
20、导态的临界参量：临界温度临界温度 Tc临界磁场临界磁场 Bc临界电流密度临界电流密度 Jc任一临界参量超过阈值任一临界参量超过阈值 超导态变成正常态超导态变成正常态理想导体：理想导体：零电阻性，零电阻性，无无“完全抗磁性完全抗磁性”超导体：超导体：零电阻性零电阻性 + + 完全抗磁性完全抗磁性5050三、超导技术的应用三、超导技术的应用超导输电线超导输电线铜线铜线 容许电流密度容许电流密度 10-2 A/cm2超导线超导线(如如Nb3Sn芯线芯线) 105 A/cm2可省去变电设备，采用直流输电方式可省去变电设备，采用直流输电方式我校超导中心（立斋）我校超导中心（立斋）超导电磁铁超导电磁铁核磁共振仪，高能加速器均需强磁场核磁共振仪，高能加速器均需强磁场B = 5T的普通电磁铁的普通电磁铁 20吨吨超导电磁铁超导电磁铁 几公斤几公斤5151我国西南交大研制的世界首辆载人高温我国西南交大研制的世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车超导磁悬浮实验车
