电磁感应精品课件

1、第1页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六一 掌握并能熟练应用法拉第电磁感应定律和楞次定律来计算感应电动势，并判明其方向.二 理解动生电动势和感生电动势的本质，并会计算动生电动势和感生电动势.了解有旋电场的概念.三 了解互感和自感现象四 了解磁场具有能量和磁能密度的概念五 了解位移电流和麦克斯韦电场的基本概念以及麦克斯韦方程组（积分形式）的物理意义.第2页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 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

2、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.1820年 ： 奥斯特实验：电 磁1821 1831年：法拉第实验：磁 电对称性12.1 电磁感应及法拉第电磁感应定律第3页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六1. 电磁感应现象第4页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变时，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.2 法拉第电磁感应定律第5页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六1）闭合回路由N 匝密绕线圈组成 磁通匝数（

3、磁链）2）若闭合回路的电阻为 R ，感应电流为时间内，流过回路的电荷第6页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六3）“”的意义N与绕行方向相反沿绕行方向 规定： 的方向与回路绕行方向成右手螺旋关系时，负号表示感应电动势阻碍原磁通量的变化。第7页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六NS3 楞次定律 闭合的导线回路中所出现的感应电流，总是使它自己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因（反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等）.9/26/2022第8页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六NSNS用楞次定律判断感应电流方向第9页，共88页，2022年，5

4、月20日，0点10分，星期六 楞次定律是能量守恒定律的一种表现 维持滑杆运动必须外加一力，此过程为外力克服安培力做功转化为焦耳热.机械能焦耳热+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +第10页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 例 12-1 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.第11页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 可见,在匀强磁场中匀速转动的线圈内的感应电电流是时间的正

5、弦函数.这种电流称交流电.第12页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六稳恒磁场中的导体运动 ,或者回路面积变化、取向变化等导体或导体回路不动，磁场变化12.2 动生电动势和感生电动势根据磁通量变化原因：感应电动势动生电动势感生电动势第13页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六+-+一 电动势电动势的定义：将单位正电荷绕闭合回路运动一周，非静电力所做的功，用 表示.非静电场的电场强度: 单位正电荷所受的非静电力称为非静电场的电场强度用 表示，在电源内部 与 静电场 方向相反。 非静电场只存在于内电路，因此回路中的外电路只有静电场，而内电路既有静电场，也有非静电

6、场.第14页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六+-+ 电荷q沿回路运行一周，各种电场所作的总功为根据电动势的定义，可有即第15页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六上式表明，电源电动势的大小，等于将单位正电荷从负极经电源内部移至正极时非静电力所作的功.可得电源电动势非静电场只存在于内电路，则第16页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + OP1. 动生电动势动生电动势的非静电力场来源 洛伦兹力- -+平衡

7、时方向：由 决定第17页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 若杆为 ， 为恒矢量，且 则Po电动势的方向由 任意形状的导线在非均匀磁场中的动生电动势的计算方向由 确定第18页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六例. 一矩形导体线框，宽为l，与运动导体棒构成闭合回路。如果导体棒以速度v 做匀速直线运动，求回路内的感应电动势。解法1：在AB上任选一线元 ，则 的动生电动势为电动势方向 A B电动势方向 A B B Av第19页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六解法2：根据法拉第电磁感应定律 B Av感应电动势的方向 A B。第20页，共88

8、页，2022年，5月20日，0点10分，星期六例122 一通有电流 的长直水平导线近旁有一斜向放置的金属棒AC与之共面，金属棒以平行导线的速度 平动。已知A、C与导线的距离分别为 、 ，求棒中的感应电动势。AC解：动生电动势A点电势高第21页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六作业： P107 12-1 12-3第22页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六解例123 一长为 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. + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

9、+ + + + + + + + + + + + + + + +oP（点 P 的电势高于点 O 的电势） 方向 O P第23页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六计算动生电动势（两种方法）（2）由法拉第定律求如果回路不闭合，需加辅助线使其闭合。 大小和方向可分别确定 .（1）由电动势定义求第24页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六2 感生电动势 产生感生电动势的非静电力是什么？（1）洛仑兹力？（2）那是什么力？一种新型的电场力第25页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六2 感生电动势麦克斯韦假设 变化的磁场在其周围空间激发一种电场,这个电场

10、叫感生电场 .闭合回路中的感生电动势第26页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六与成右手螺旋关系第27页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六第28页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六两种电场比较由静止电荷激发由变化的磁场激发电场线为闭合曲线电场线为非闭合曲线静电场 感生电场 起源电场线形状比较第29页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六有源：无源：保守：非保守（涡旋）：不能脱离源电荷存在可以脱离“源”在空间传播静电场 感生电场 性质特点对场中电荷的作用相互联系比较 作为产生 的非静电力，可以引起导体中电荷堆积，从而建立起

11、静电场 .第30页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 例12-5 设有一半径为R ,高度为h 的铝圆盘, 其电导率为 . 把圆盘放在磁感强度为 的均匀磁场中, 磁场方向垂直盘面.设磁场随时间变化, 且 为一常量.求盘内的感应电流值.（圆盘内感应电流自己的磁场略去不计）第31页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六解如图取一半径为 ,宽度为 ,高度为 的圆环.则圆环中的感生电动势的值为又所以第32页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六由计算得圆环中电流于是圆盘中的感应电流为第33页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六感生电动

12、势的计算（两种方法）1 . 由电动势定义求（ 已知或易求 ）或2 . 由法拉第定律求若导体不闭合，需加辅助线构成闭合回路 .第34页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六解：1） ：以r为半径作一圆形回路L，逆时针方向为回路的绕行方向，根据电动势定义： AC例12-6.半径为R 的圆柱形空间区域，充满着均匀磁场。设磁场在减少， ， 为一常量。求棒AC上的感生电动势的大小和方向。第35页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 AC可得方向与回路的绕行方向一致，沿逆时针方向。在棒上任取位移元 , 它到圆心的距离为r, 则 上产生的感生电动势为第36页，共88页，20

13、22年，5月20日，0点10分，星期六AC AC则整根棒产生的感生电动势为：感生电动势的方向由A指向C, C点电势高第37页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六ab法：如图构造闭合回路半径方向的导体上：第38页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六作业： P107 12-4 12-10第39页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六3. 电子感应加速器利用感生电场来加速电子的设备（1）电子的运动稳定在圆形轨道上第40页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六电子圆形轨道所在处的磁感应强度是轨道所包围面积内磁场的平均磁感应强度的一半。

14、第41页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六（2）电子在圆形轨道上只被加速感生电场方向绕向第42页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六4 涡电流 感应电流不仅能在导电回 路内出现， 而且当大块导体与磁场有相对运动或处在变化的磁场中时，在这块导体中也会激起感应电流.这种在大块导体内流动的感应电流,叫做涡电流 , 简称涡流. 应用 热效应、电磁阻尼效应.第43页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 在冶金工业中，某些活泼的稀有金属在高温下容易氧化，将其放在真空环境中的坩埚中，坩埚外绕着通有交流电的线圈，利用涡流对金属加热，防止氧化。抽真空应用举

15、例 在制造电子管、显像管或激光管时，在做好后要抽气封口，但管子里金属电极上吸附的气体必须加热到高温才能放出而被抽走,利用涡电流加热的方法，一边加热，一边抽气，然后封口。抽真空显像管第44页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 电磁炉加热时炉体本身并不发热，在炉内线圈接通交流电时，在炉体周围产生交变的磁场。当金属容器放在炉上时，在容器上产生涡电流，使容器发热，达到加热食物的目的。 电度表记录用电量，就是利用通有交流电的铁心产生交变的磁场，在缝隙处铝盘上产生涡电流，涡电流受磁场作用，表盘受到一转动力矩，使表盘转动。o第45页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六

16、如果把变压铁心制成实心的，在变压器工作时，铁心中会产生较大的涡电流，使铁心发热，造成漆包线绝缘性能下降，引发事故。因此，变压器铁心用多片相互绝缘的硅钢片叠合而成，使导体横截面减小，涡电流也较小。电动机的转子和定子也都是用片状的软磁性材料叠合制成的。第46页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六12.3 互 感第47页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六1 .互感现象原线圈副线圈一个载流回路中电流变化，引起邻近另一回路中产生感生电动势的现象 互感现象 .互感电动势变化 变化线圈 2 中产生变化 变化线圈 1 中产生第48页，共88页，2022年，5月20日，0点

17、10分，星期六 在 电流回路中所产生的磁通量 在 电流回路中所产生的磁通量 1 ）互感系数 （理论可证明）9/26/2022第49页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 互感仅与两个线圈形状、大小、匝数、相对位置以及周围的磁介质有关（无铁磁质时为常量）.注意对于固定回路，互感：表明相互感应强弱的物理量， 是两个电路耦合程度的量度。单位：亨利第50页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 互感的应用（1）变压器的应用； （2）电流互感器套在电路上，可测大电流和保护线路； （4）感应线圈使低压直流电变为高压脉冲，形成高压放电，用于点火装置等;（3）钳形安培表测回路

18、中交流电大小；（6）电子线路中的互感是一个重要的元件. 互感也会引起有害的干扰，在设计电路时必须合理布局，并采取有效的屏蔽措施. （5）电焊机利用互感产生低压大电流熔化金属进行焊接.第51页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 例128 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（ r1r2 ）,匝数分别为N1和N2的同轴长直密绕螺线管.求它们的互感 . 解 先设某一线圈中通以电流 I 求出另一线圈的磁通量 设半径为 的线圈中通有电流 , 则第52页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六代入 计算得则则穿过半径为 的线圈的磁通匝数为第5

19、3页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六12.4 自 感第54页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六由于回路中电流变化，引起穿过回路包围面积的全磁通变化，从而在回路自身中产生感生电动势的现象叫自感现象自感现象(实验)K接通时：B立即亮，A逐渐亮；K断开时：B立即灭，A逐渐灭。A灯电流：1. 自感第55页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六穿过闭合电流回路的磁通量1）自感 若线圈有 N 匝，自感 磁通匝数 无铁磁质时, 自感仅与线圈形状、大小、 N及磁介质有关.注意第56页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六当时，2）自感电

20、动势 单位：1 亨利 （ H ）= 1 韦伯 / 安培 （1 Wb / A）第57页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六2. 自感的计算方法 例 如图的长直密绕螺线管,已知 , 求其自感 . （忽略边缘效应）解 先设电流 I 根据安培环路定理求得 H B .9/26/2022第58页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六9/26/2022第59页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六12.6 磁场的能量第60页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六自感线圈磁能回路电阻所放出的焦耳热电源作功电源反抗自感电动势作的功第61页，共88

21、页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 磁场能量密度 磁场能量 自感线圈磁能第62页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六电场能量与磁场能量比较电场能量磁场能量电容器储能自感线圈储能电场能量密度磁场能量密度能量法求能量法求电场能磁场能量第63页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六位移电流 电磁场基本方程的积分形式12.7第64页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家 . 经典电磁理论的奠基人 , 气体动理论创始人之一 . 他提出了有旋场和位移电流的概念 , 建立了经典电磁理论 , 并预言了以光

22、速传播的电磁波的存在 .在气体动理论方面 , 他还提出了气体分子按速率分布的统计规律.第65页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 1865 年麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出完整的电磁场理论， 他的主要贡献是提出了“有旋电场”和“位移电流” 两个假设，从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度（即光速）. 1888 年赫兹的实验证实了他的预言, 麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景. ( 真空中 )第66页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六一 位移电流 全电流安培环路定理+-IC（以 L 为边做任意曲

23、面 S ）稳恒磁场中,安培环路定理此矛盾如何解释 ？第67页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 麦克斯韦假设 电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率. 位移电流密度 +-ICICAB第68页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六 位移电流 +- 全电流 位移电流密度 通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面电场强度通量对时间的变化率与 的乘积 .电容器中位移电流回路中全电流连续第69页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六1）全电流是连续的；2）位移电流和传导电流一样激发磁场；3）传导电流产生焦耳热，位移电流不产生焦耳热.

24、+- 全电流第70页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六二 电磁场 麦克斯韦电磁场方程的积分形式 磁场高斯定理 安培环路定理 静电场环流定理 静电场高斯定理第71页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六方程的积分形式麦克斯韦电磁场1）有旋电场麦克斯韦假设2）位移电流第72页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六12.8 电磁振荡 电磁波第73页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六一 振荡电路 无阻尼自由电磁振荡LCEKLC 电磁振荡电路L+CAL+CCLCBLCD第74页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六无

25、阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化O 无阻尼电磁振荡的振荡方程第75页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六+二 电磁波的产生与传播 变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波.-+振荡电偶极子+-发射电磁波，必须具备下列条件：1）频率必须足够高；2）电路必须开放。第76页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六不同时刻振荡电偶极子附近的电场线+-振荡电偶极子附近的电磁场线第77页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六760nm400nm 可见光 电 磁 波 谱红外线 紫外线 射 线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波无线电波可见光红外线紫外光 射线 射线第78页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六可见光的波长范围： 400 nm 760 nm 电磁波谱 第79页，共88页，2022年，5月20日，0点10分，星期六1. 法拉第电磁感应定律一 电磁感应定律2. 楞次定律二 动生电动势和感生电动势（按产生原因分类）1. 动生电动势2. 感生电动势 由变化的磁场可以激发