电磁感应电磁场.ppt

1,81电磁感应定律,一、电磁感应的实验现象1.电磁感应现象当闭合回路中的磁通量发生变化时，回路中出现电流的现象称为电磁感应现象。(1)磁铁与线圈或闭合回路间相对运动；(2)闭合导体回路在磁场中面积改变或发生转动等,均会在回路中产生电流。,2,3,2.感应电流由电磁感应而产生的电流称为感应电流。3.感应电动势引起感应电流的电动势称为感应电动势，感应电流是感应电动势的对外表现。4.引起感应电动势的根本原因穿过导体回路的磁通量发生了变化。变化得越快，感应电动势就越大。,4,二、楞次定律,1.楞次定律闭合回路中感应电流的方向,总是使它自身所产生的磁通量阻止引起感应电流的磁通量的变化。2.用途用来判断感应电流的方向。3.引起感应电流的原因(1)磁铁与线圈相对运动时，则线圈中感应电流所激发的磁场将阻止这种运动。,5,(2)相邻回路的电流发生变化,则感应电流所激发的磁场将阻止(或补偿)这一电流的变化。(3)磁通量的增加(减少)，则感应电流所激发的磁通量将阻止(补偿)原磁通的这种变化。4.楞次定律的物理本质楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象上的具体体现。要产生电流，就要有外力克服这种“阻碍”而作功,就要消耗其它形式的能量。,6,7,例题1判断感生电流方向,8,三、法拉第电磁感应定律,4.法拉第电磁感应定律导体回路中产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比。,确定Ei的方向：(1)任意规定回路的绕行方向；(2)用右手定则确定正法线方向；(3)磁通量的正负。,(4)确定,9,(5)确定Ei的方向,10,例题2：判断感应电动势的方向。,11,5.多匝线圈情况,6.感应电流,磁通链数或磁通量匝数。,7.感应电动势的两种基本形式(1)动生电动势空间磁感应强度不变，回路的位置、形状、大小等变化引起的。(2)感生电动势回路的位置、形状、大小等不变，由于磁感应强度随时间变化引起的。,12,例在匀强磁场中,置有面积为S的可绕轴转动的N匝线圈。若线圈以角速度作匀速转动。求线圈中的感应电动势。,穿过N匝线圈的磁通链数为:,13,14,82动生电动势和感生电动势一、动生电动势,负号说明电动势方向与所设方向相反。,特例,15,二、动生电动势的电子理论解释,1.导体内自由电子受洛仑兹力,2.电子所受静电力,3.当两力平衡时,导体两瑞的电势差在数值上等于电动势.4.当导体ab与外电路形成闭合回路时，便出现电流破坏了平衡，电子在洛仑兹力作用下移向b端，以维持导体内的动生电动势和回路中的电流。,16,三、动生电动势的一般公式,1.产生动生电动势的非静电力,2.单位正电荷受的非静电力,3.非静电力移动单位正电荷作的功,洛仑兹力,非静电性场强,17,4.动生电动势的一般表达式,5.特殊情况：当,适用于一切产生电动势的回路；,适用于切割磁场线的导体。,4.讨论,18,例1一长为L的铜棒在磁感强度为的均匀磁场中,以角速度在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端转动,求铜棒两端的感应电动势。,动生电动势的方向由O指向P,O端带负电,P端带正电。,解:,19,例2一导线矩形框的平面与磁感强度为的均匀磁场相垂直。在此矩形框上,有一质量为m长为l的可移动的细导体棒MN;矩形框还接有一个电阻R,其值较之导线的电阻值要大得很多。若开始时(即t=0),细导体棒以速度沿如图所示的矩形框运动,试求棒的速率随时间变化的函数关系。,且由MN,20,方向沿Ox轴反向,21,例3圆盘发电机，一半径为R1的铜薄圆盘，以角速率，绕通过盘心垂直的金属轴O转动,轴的半径为R2,圆盘放在磁感强度为的均匀磁场中,的方向亦与盘面垂直。有两个集电刷a，b分别与圆盘的边缘和转轴相连。试计算它们之间的电势差，并指出何处的电势较高。,如图取线元,22,圆盘边缘的电势高于中心转轴的电势。,23,四、感生电动势和感生电场,1.感生电动势由B随时间变化引起的电动势称为感生电动势。2.麦克斯韦假说无论有无导体回路存在，变化的磁场都将在其周围空间激发具有闭合电场线的非静电性电场感生电场(涡旋电场)。3.实验证明麦克斯韦假说是正确的。变化磁场激发有旋电场是客观存在的事实。,24,5.感生电场的性质(1)由电动势的定义单位正电荷沿闭合回路一周,非静电力(感生电场力)所作的功电动势。,4.由于磁场随时间变化而产生的感生电动势,感生电动势,可得：,25,感生电场是非保守力场，因此又称有旋电场。非保守场、无源场、涡旋场。,(2)左旋关系,26,83自感与互感磁场能量一、自感电动势自感,1.回路中I变化周围B变化回路的变化；2.回路的变化感应电动势产生感应电流I自；3.自感现象由于回路自身电流的变化而产生感应电动势的现象。,4.自感电动势由自感现象产生的感应电动势称为自感电动势。,27,5.自感系数,由磁通量定义,比例系数L称为自感系数(自感)。L与回路的几何形状、大小、磁导率有关，而与电流无关，某回路的自感系数在数值上等于该回路中电流I=1A时通过该回路所包围面积的磁通量数。,由毕-萨定律,28,6.自感电动势,自感电动势,由法拉第电磁感应定律,当I时EL与原来电流反向;当I时EL与原来电流同向。,8.自感的单位,7.自感L“电磁惯性”(反抗电流变化的能力)自感的存在，使回路具有保持原有电流不变的性质，L越大，I越不易改变，与力学中的质量类似。,29,例1：求长直螺线管的自感系数,几何条件如图.,解：设通电流I,固有的性质电磁惯性。,30,例2有两个同轴圆筒形导体,其半径分别为R1和R2,通过它们的电流均为I,但电流的流向相反。设在两圆筒间充满磁导率为的均匀磁介质。求其自感L。,解:两圆筒之间磁感应强度为:,在两圆筒间取一长为l的面PQRS,并将其分成许多小面元。穿过面积元dS=ldr的磁通量为:,31,单位长度的自感为,32,二、互感电动势互感,1.互感现象由于导体回路电流的变化而在邻近导体内产生感应电动势的现象。2.互感电动势有互感现象引起的感应电动势称为互感电动势。,3.互感系数线圈1内电流I1的变化，引起线圈2内的电动势E2:,非铁磁质,互感系数(互感),33,4.互感电动势由法拉第电磁感应定律有：,5.互感单位,互感单位与自感相同，亨利(H)。,34,例3两同轴长直密绕螺线管的互感。有两个长度均为l，半径分别为r1和r2(r1R2B=0,所以载有电流I，长为l的同轴电缆内所储藏的总磁能为:,(6)单位长度自感：,(4)单位长度磁能,46,86位移电流电磁场基本方程的积分形式,运动是相对的,电场和磁场是统一的电磁场在给定的参考系中显示出来的特例。是同一物质(电磁场)的两个方面。,电场:,空间存在:,磁场:,空间存在:,感生电场,静电场,静止电荷,“感生磁场”?,稳恒磁场,恒定电流,47,电磁学发展的里程碑(在100年左右的时间),1785年CoulombLaw静电规律1820年Oersted电与磁稳恒磁场1831年Faraday电磁感应1865年Maxwell统一完善,电流概念的发展把安培环路定理推广到电流变化的回路时出现了矛盾宏观电磁场理论必须进行完善。,48,一、问题的提出,安培环路定理,通过以L为边界的任一曲面的电流。,2.传导电流电荷定向移动。可以产生热效应,产生磁场。,传导电流密度。,49,4.电容器充、放电过程中的安培环路定理某时刻回路中传导电流强度为I，取积分环路L。,思考1：场客观存在,环流值必须唯一；思考2：定理应该普适。,计算H的环流,(1)取S1面,(2)取S2面,(3)结果在稳定(恒流)情况下正确的安培环路定理，在不稳定情况下就不正确了。,50,5.麦克斯韦位移电流假说出现上述矛盾是由于把H的环流认为是唯一由传导电流决定的，而传导电流在电容器两极板间却中断了。在电容器的两极板上自由电荷随时间变化形成传导电流的同时，电容器极板间的电场和电位移矢量也随时间变化，这种变化的电场也是一种电流位移电流。,51,二、位移电流全电流安培环路定理,1.位移电流平板电容器内部存在一个物理量,可以产生磁场,起着电流的作用,应是电流的量纲。,(1)充电过程平行板电容器内有哪些物理量？t时刻电路中的电流为I，极板上电量为Q,极板间电势差为U。,52,电位移通量：,两边对时间求导数:,回路中的电流I。,和回路中充电电流的方向相同。,对于平行板电容器,可得:,53,(2)放电过程,和回路中放电电流的方向相同。,结论：,和充电过程的结果相同。,54,(3)位移电流定义麦克斯韦定义：位移电流Id为:,通过某个面积的位移电流就是通过该面积的电位移通量对时间的变化率。,(4)位移电流面密度,55,2.全电流安培环路定理,(4)全电流安培环路定理,电流概念的推广,能产生磁场的物理量。,(1)传导电流,(2)位移电流,(3)全电流,载流子定向运动Ic;,电位移通量的变化率Id；,ISIcId。,56,(5)传导电流和位移电流的区别在产生激发磁场方面两者等效；传导电流是自由电荷在导体中的定向流动形成的，而位移电流时由变化的电场形成的；传导电流具有焦耳热效应，而在真空中，位移电流不伴有电荷的任何运动，所以，不具有焦耳热效应。,57,(6)用全电流安培环路定理解决电容器充、