大学物理第十六章电磁感应.ppt

第六章 电磁感应 第16章电磁感应 第16章电磁感应 16 1电磁感应的基本定律 16 2动生电动势和感生电动势 16 3自感和互感 16 4磁能和磁能密度 卷首页 大学基础物理 2 电子教案 6 1之一 电磁感应定律 16 1电磁感应的基本定律 16 1 1几个典型实验 导体回路和永磁体之间相对运动产生 导体回路和载 直 流线圈之间相对运动产生 与通有变化电流的线圈相互套嵌的导体回路中产生 处于稳恒磁场中的导体回路的面积发生变化时产生 产生感应电流的原因是什么 章首页 16 1电磁感应的基本定律 6 1之二 感应电流的方向1 2 16 1 2感应电流的方向 1 实验1分析 结论 Ii产生的磁场都起着 路磁通量的变化 导体构成闭合回路 反抗磁棒运动的结果 指回 穿过闭合回路的磁通量发生变化 即 章首页 16 1电磁感应的基本定律 6 1之二 例 闭合线圈中Ii产生的磁通量 线数 总是反抗原磁通量 线数 的变化 3 楞次定律的物理实质 楞次定律实质上是能量守恒定 具体表述 律和转化定律在电磁感应现象中的 2 楞次定律 照片 章首页 16 1电磁感应的基本定律 6 1之二 例 问 与导线相对静止的闭 解 例16 1 有一长直导线中通有非稳恒电流I 合导线框中是否有Ii产生 章首页 16 1电磁感应的基本定律 6 1之二 感应电流的方向3及6 1之三1 16 1 3法拉第电磁感应定律 1 Ii的大小不能确切地描述 实验1分析 电磁感应现象的共性是穿过闭合回 而不应与电路是否接通及其阻值有关 路的磁通量发生了变化 即 电磁感应现象 章首页 16 1电磁感应的基本定律 6 1之三2 当穿过回路的磁通量发生变化时 即 2 的大小可确切地描述电磁感应现象 回路中就有产生 若该回路由导体构成 则其中就 有感应电流产生 3 法拉第电磁感应定律 章首页 16 1电磁感应的基本定律 空间中指定的任意环路所产生的感应电动势 环路中磁通量的变化率 6 1之三3 物理上规定 闭合回路的正方向与回路所包围 若Ii沿回路正向 则Ii 0 反之 Ii 0 若线的指向与平面法向相同 则 的平面法向之间遵从右螺关系 章首页 16 1电磁感应的基本定律 6 2动生电动势和感生电动势 16 2动生电动势和感生电动势 章首页 16 2动生电动势和 切割磁力线 6 2之一 动生电动势1 2 1 2 16 2 1动生电动势 1 定义 1 运动电荷在磁场中受到洛仑兹力 2 与动生电动势相联系的非静电力 导体回路的一部分以及当一段孤立导体在稳恒磁场中 运动时 回路或导体内产生的感应电动势 当整个闭合导体回路或闭合 章首页 16 2动生电动势和 6 2之一 动生电动势2 3 4 3 的水平分量 对电子作负功 为电子在导体中运动而受到 中运动而受到的磁力 2 的竖直分量 对电子做正功 形成动生电动势 电子随导体在 的磁力 它与导体运动方向相反 章首页 16 2动生电动势和 6 2之一 动生电动势2 3 动生电动势的计算公式 4 的作用 可以证明的两个分量对电子所 作的功之和为零 洛仑兹力是起传递 能量的作用 即外力克服所作的功通过对电子 作正功而转化为导体的动生电动势 章首页 16 2动生电动势和 例及解方法一 解 在距O端r处取dr 其线速度的大小为 例16 2 在与均匀磁场垂直的平面内 方法一 按计算 表示的方向为 动 转轴与平行 求 有长为L的直导线OR 且绕O以转 章首页 16 2动生电动势和 例及解方法二 方法二 按计算 取回路aORa 顺时针 则 表示的方向为逆时针 即 解 章首页 16 2动生电动势和 6 2之二 感生电动势1 16 2 2感生电动势 1 定义 1 感生电场的假设 电场 称为感生电场或涡旋电场 2 与感生电动势相联系的非静电力 当一段相对观察者静止的 导体或一个导体回路处于随时间变化的磁场中时 在导 体内产生的感应电动势 变化的磁场在其周围会激发一种 章首页 16 2动生电动势和 6 2之二 感生电动势2 3 2 静电场与感生电场的异同点 相同点 对处于场中电荷有作用力 不同点 3 的计算 感生电场施于导体中电荷的力 就是与感生电动势相联系的 章首页 16 2动生电动势和 大小 方向 例及解 1 例16 3 半径为R的长直螺线管中通有变化 解 1 r R I 为轴对称分布 的电流使为大于零的常数 求的分布 设l1为逆时针绕向 亦设为电场线绕向 2 r R 取回路l2 同理可得 章首页 16 2动生电动势和 4 的计算 6 2之二 感生电动势4及例 解和方法一 解 例16 4 在上例中 均匀速率增加 方法一 一点取 则 现在横截面内放置长为l的金属棒 距圆心O为h 求 在棒上沿AB方向任 章首页 16 2动生电动势和 6 2之二 感生电动势4及例 解和方法二 方法二 取回路ABOA 则 章首页 16 2动生电动势和 期中1 如图所示 AB以匀速V在道轨上滑动 若忽略线框中的自感电动势 并设开始时滑动边与对边重合 试求任意时刻t在矩形线框内的感应电动势的大小并讨论其方向 A B a b 期中2 一根同轴线由半径为R1的长导线和套在它外面的内半径为R2 外半径为R3的同轴导体园筒组成 中间充满磁导率为 的各向同性均匀非铁磁绝缘材料 如图 传导电流也如图所示 在它们的截面上电流都均匀分布 求同轴线内外的磁感应强度大小B的分布 期中3 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所在的平面 一导体杆MN垂直于OD边 并在金属架上以恒定速度V向右滑动 V与MN垂直 设t 0时 x 0 求下列两种情况下 框架内的感应电动势 i 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 期中4 如图所示 载有电流I的长直导线附近 放一导体半园环MeN与长直导线共面 且端点MN的连线与长直导线垂直 半园环的半径为b 环心O与电线相距a 设半园环以速度V平行导线平移 求半园环内感应电动势的大小和方向以及MN两端的电压UM UN 5 电子感应加速器简介 章首页 16 2动生电动势和 6 2之二 感生电动势5 章首页 16 2动生电动势和 6 3自感和互感一1 2 16 3自感和互感 16 3 1自感现象 1 定义 因线圈中电流变化而线圈自身引起感生电动势的现象 称为自感现象 此种感生电动势又称为自感电动势 2 实验演示 通电自感现象 动画 断电自感现象 动画 章首页 16 3自感和互感 6 3自感和互感一3 1 3 规律 1 自感系数L 式中 L为自感系数 仅与线圈的形状 大小 匝数及 周围介质有关 单位 亨利 H 章首页 16 3自感和互感 2 L的物理含义 电磁惯性 较容易 自感现象的这种保持原有电流不变的性质 称为电磁惯性 L为回路 电磁惯性 大小的量度 若两个线圈相同 则有 L大 小 电磁状态参数I的变化困难 反之 章首页 16 3自感和互感 6 3自感和互感一4 4 L的计算步骤 1 设回路通有电流I 例16 5 有一长直螺线管 长为 解 3 根据定义 长度上的匝数为n 管中介质磁导率为 求L 2 计算回路中的分布和 l 横截面积为S 每单位 章首页 16 3自感和互感 6 3自感和互感二1 16 3 2互感现象 1 定义 两个线圈的电流可以互相提供磁通 当电流变化 时互相在对方回路中激起 互感现象 此种感生电动 感生电动势的现象 称为 势称为互感电动势 章首页 16 3自感和互感 6 3自感和互感二2 2 规律 式中 M为互感系数 仅与两个线圈的几何形状 大小 匝数 及周围介质相对位置有关 M的单位与L的单位相同 章首页 16 3自感和互感 6 3自感和互感二3及例解 1 3 M的计算步骤 类似于L的计算 例16 6 在真空中有一长螺线管 上面 解 1 求M设内层 线圈中通有I1 I1在螺线 管中产生的磁场为 外层线圈的为N2 求M 并讨论M f L1 L2 紧绕着两个长度为l的线圈 内层线圈的匝数为N1 章首页 16 3自感和互感 6 3自感和互感二3及例解 2 2 讨论M f L1 L2 I1引起的穿过外层线圈N2的全磁通 量为 章首页 16 3自感和互感 6 4之一自感储能的计算1 16 4磁能和磁能密度 16 4 1自感储能 1 电路 况下 仍可用基尔霍夫 增长时能量转换的情况 当k与1接通时 i 在i变化不是太快的情 定律来研究回路中电流 章首页 16 4磁能和磁能密度 1 2 6 4之一自感储能的计算2 2 计算 形式的能量转化为磁能 为电源反抗自感电动势所做的功 将其他 为回路中的导体所放出的焦耳热 为电源在这段时间内所做的功 章首页 16 4磁能和磁能密度 6 4之一自感储能的计算2 续 作业 2 这部分焦耳热是由于磁场的消失 磁场的能量为 当k接通2时有 即 而转换得来的 因此 当i I时 章首页 16 4磁能和磁能密度 6 4之二磁能密度 16 4 2磁能密度 1 磁能定域 2 磁能密度 当长直螺线管中通有电流I时 其中 磁能和磁能密度为 理论和实践证明 磁能定域在磁场中 章首页 16 4磁能和磁能密度 6 4之三磁能计算公式 16 4 3磁能计算公式 例16 7 有两个无限长的共轴圆筒形导体 R1 R2 通 有电流I 试求单位长度的自感系数 解 章首页 16 4磁能和磁能密度 书上例16 11 两种解法 V 磁能是贮存在任何有磁场的地方 例16 7在无限长直导线近旁放置一长方形平面线圈 线 圈的一边与导线平行 求其互感系数M 尺寸如图所示 假定两线圈的自感系数分别为