普通物理二-第十二章-电磁感应.ppt

第十二章 电磁感应和 麦克斯韦电磁理论 n概念：感应电动势（动生，感生）； 互感； 自感； 磁场的能量 规律：楞次定律； 法拉第电磁感应定律 一、电磁感应现象 1、磁棒相对于线圈 运动 磁棒向下运动，安倍计指针向右偏，产生电流 磁棒停止运动，安倍计指针不偏转，不产生电流 磁棒向上运动，安倍计指针向左偏，产生电流 过程分析： 12-1 电磁感应及其基本规律 结论：当磁棒与线圈有相对运动时，线圈中产 生感应电流。 实质：线圈中磁感应强度大小发生变化 2、金属棒沿垂直于磁场和棒长的方向运动 过程分析： 金属棒运动时（切割磁 力线），产生感应电流 。 实质：包围磁场的面积发生变化。 结论：上面两实验中,导体回路包围的磁通量 均发生了变化。 电磁感应现象：当穿过闭合回路的磁通量发 生变化时，回路中产生感应电流，此时，存 在电动势，这种由于磁通量变化而引起的电 动势称为感应电动势。 二、电磁感应定律 法拉第（Michael Faraday, 1791- 1867），伟大的英国物理学家和化学 家.他创造性地提出场的思想，磁场这 一名称是法拉第最早引入的.他是电磁 理论的创始人之一，于1831年发现电 磁感应现象，后又相继发现电解定律 ，物质的抗磁性和顺磁性，以及光的 偏振面在磁场中的旋转. 1、法拉第电磁感应定律：当穿过闭合回路所围 面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应 电动势，且感应电动势正比于磁通量对时间变 化率的负值。 式中负号代表感应电动势方向 （1）感应电动势方向的判定 a. 选定回路绕行方向 右手定则：将右手四指弯曲，用以代表选定的回路 绕行方向，则伸直的拇指指向法线 的方向。 b.确定 与 的正负 c. 和绕行方向相同 和绕行方向相反 例： 图 中 N 与回路绕行方向相反 思考一下：如果磁棒从如图 位置继续向下运动，感应电 动势方向？ 与回路绕行方向相同 S 图 中 与回路绕行方向相同 思考一下：如果磁棒从如图位置继续 向下运动，感应电动势方向？ 与回路绕行方向相反 （2）讨论;闭合回路由N匝密绕线圈串联，则： 式中 为全磁通，若穿过每匝线圈的磁通量相同 则： (3)若闭合回路的电阻为R，则感应电流为： 时间内，通过导线任一截面感生电荷 为： 解： 感应电流沿逆时针方向。 例：一螺绕环，单位长度上的匝数为5000匝， 今有一5匝的小线圈套在 小线圈的电阻为 试求：小线圈中感应电动势和感应 电流。 螺绕环上， 二、楞次定律 闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激 发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化 。简言之：“增反减同” N S 楞次定律实质上是能量 守恒定律在电磁感应现 象中的体现。 变化感生电动势 S变化动生电动势 N S 用楞次定律判断感应电流方向 N S 三、感应电动势 1、动生电动势： 由于导体在磁场中运动产 生的感应电动势. a b d o x x xx i 感应电动势的方向:b a 微观解释： 提供动生电动势的非静电力 方向：b a 动生电动势： 注意:动生电动势不要求构成闭合回路; 在磁场中运动的导体才能产生动生电动势； 速度与磁场不平行时才能产生动生电动势。 （需切割磁力线） 例： a b c 方向：bc 电子理论： 原因：洛伦兹力 能量守恒 维持导体棒以 向右运动，需要外力 - 机械能转化为电能 例1：如图金属棒OA长l=50cm,B=0.01T, 以 =50转/秒的角速度转动。 求:（1） ；（2）半径R=50cm的铜盘转动时 ，OA的电势差为多少？ xx x x x x x xx A O v 例2、在一根无限长载电流导线上通有电流I， 有一导体棒长为L，与无限长载电流导线共面 ，平行于载流导线运动，速度为v，近端导线 距离载流导线为a，求棒上产生电动势。 x xx xx L A C I V 2、感生电动势 导体不动,由于磁场的大小或方向的变化所产 生的感应电动势。(变化的磁场可在空间激发电 场) 感生电场（又名涡电场） 两种电场的比较: 感生电场：由变化的电场激发，电场线闭合， 涡旋场 静电场：由静止电荷激发，电场线不闭合，为 保守场 例1、匀强磁场局限在半径为R的柱形区域内， 磁场方向如图所示，磁感应强度 大小正以速 率 在增加，求感应电场的分布。 Rx x x x xx xx x x x x 例2、在半径为R的圆形区域内，充满如图方向 的均匀磁场，现有一长为L的金属棒放在磁场中 ，设 求：棒两端的感生电动势。 a b o 想想看，还能够怎么补回路啊？ 12-2 互感和自感 一、互感现象 I1 B1 12 线圈1中通有电流 产生 在线圈2中产生磁通量 线圈1对线圈2 的互感系数。 若 发生变化 变化 变化产生 与线圈的形状、大小，相对位置，有无铁磁 质有关。 同理： 线圈2中通有电流产生在线圈1中产生 磁通量 互感系数 单位：亨利 H 研究两个共轴螺线管，长度均为 ，截面半径均 为 ；原线圈为 匝，副线圈 匝。原线圈通 有电流 ，副线圈通有电流 。讨论二者互感系 数的关系。 互感系数表示相邻两回路各自在另一回路中产 生互感电动势的能力。 二、自感现象： 1、定义：回路电流改变在自身回路激发感生电 动势的现象。 2、L自感系数 反映自感能力 L0 ，L与电流无关，只与线圈自身的形状、大 小，有无铁磁质有关。 3、单位：亨利H 例1、有一长直螺线管，长为 ，截面半径为R； 共有N匝。求：螺线管的自感系数。 例2、讨论两共轴螺线管自感系数和互感系数的 关系。 无漏磁： 一般情况： K：耦合系数 例3、有两个无限长同轴的圆筒状导体组成的电 缆；内、外筒电流大小相等，方向相反，半径分 别为 。求：电缆单位长度的自感系数。 I r 12-3 磁场的能量 讨论方法：仿照电场能量，以螺绕环为例 一、磁场的能量 R L BX 闭合回路中产生电流i 线圈L产生自感电动势 （反向） 两电流的方向相反，i由0增大到 当 ， 消失。 t i 0 时刻， 闭合电源被短路，保险丝被烧断 电源被断开线圈L产生自感电动势 （同向 ） 两电流方向相同， i由 减小为0. 电流： 0增大到 电源做功=焦耳热+克服自感电动势做功 电源做功=焦耳热 减小到0 自感电动势做功=焦耳热 总结：克服自感电动势做功=磁场的能量 电源做功 磁场能量 焦耳热 单位体积内的磁场能量 真空中磁场的能量密