中南大学大学物理第十四章--变化的电磁场

1、第十四章，变化的电磁场、电磁效应、感应电流、1831年法拉第、问题的提出，迈克尔法拉第(Michael Faraday，17911867 )是英吉利(实验)物理学家和化学家他在1791年9月22日出生的13岁书店作为装订书的学徒他读书读了很多科学书，简单的化学实验1812年，一位名叫舞蹈的客人给了他免费的伦敦皇家学会讲座的票，在听了化学家戴维的讲座后，法拉第给了这位伟人一份装订精美的讲座笔录。 向学会询问空缺的有木有(大卫当时是会长)。 大卫收到这封信后不久，由于化学爆炸助手一时失明，所以让法拉第当了暑期工助手(1813年)。 不久，大卫的主要助手被卷入争吵中而被解雇，法拉第得到了这份全职工作

2、。 1813年10月，法拉第与大卫一起在欧洲大陆进行了学术考察18个月，他观察学习了各国科学家的实验室，制造了安培、纽扣、盖萨克等有名的科学家，了解到他们的科研方法回到了英吉利后，法拉第开始了独立的研究， 1816年发表了最初的化学论文，之后又发表了几篇论文，1821年担任皇家研究院的实验室主任，同年，发现了电磁旋转现象(通电导线可以绕着吸铁石旋转)，把电能转换成了动能。 1824年当选为皇家协会会员，1825年应邀为皇家研究院教授，1831年发现电磁效应现象，1852年引进力量线思想，强调电磁场是物理存在，为理论作出了重要贡献。 法拉第研究的课题广泛多样，按编年顺序排列，铁元素合金研究(18

3、181824 )； 氯元素和碳的化合物(1820 )电磁旋转(1821 )瓦斯气体液化(1823，1845 )光学玻璃(18251831 )苯的发明(1825 )电磁效应现象(1831 )来自不同来源的电同一性(1832 )电化学分解(1832年起)静电、介电质(1835 ) 瓦斯气体放电(1835年)光、电、磁(1845年开始)抗磁性(1845年开始)放射性射线振动思想(1846年开始)重力和电(1849年开始)时间和磁(1857年开始)。 法拉第其他方面的主要成果： 1833年发现了电解定律1837年发现了介电质对电容的影响，引入了介电常数概念的1845年发现了光磁效应(即，磁场可以旋转通

4、过重玻璃的光的偏振面)，随后物质被抗磁性质和顺磁性在十九世纪50年代，他试图发现重力与电的相互作用，但结果却是否定的。 但是这种探索从法拉第爱因斯坦一直持续到现在。 1862年法拉第进行了最后的实验，试图发现磁场对置于磁场内的光源发出的光的影响，但结果是否定的。 因为他使用的机器还不灵敏，没能检测出这个细微的效果。 30年后，当时仍是小二哥的塞曼，受到了阅读法拉第的实验订正画的启发，他使用更精密的机器重做实验，发现了塞曼效应。 那是新原子物理学的前兆之一。 法拉第被公认为最伟大的“自然哲学者”之一。 法拉第的伟大成功可能是由于他生活的时代。 凭借丰富的想象力和机智的实验才能、工作热情和相应的耐

5、受力，他能够迅速分辨幻想，将一切统一起来。 他具有哲学思想、几何学和空间洞察力，并且擅长持续思考，正好补偿了他数学上的不足。 14-1电磁效应定律、一、电磁效应现象、(1)、(2)、(3)、(4)、2、3引线或线圈在磁场中运动，1、4磁场变化。电路中产生的电流称为感应电流。 发现电磁效应现象，1820年奥斯特发现电流磁效应，引起科学界的关注，促进科学发展的1821年英国哲学年鉴执行主编请大卫写文章， 自奥斯特发现以来，评论电磁性实验和理论发展概况的大卫在将这项工作交给法拉第收集资料的过程中，对电磁现象的研究很有热情，重复了这些个论文中大多数实验1821-10-1，这篇论文以电磁性的发展概况为主

6、题发表在哲学年鉴上这是法拉第发表的第一篇电磁性论文，也是从化学到电磁性的研究的开端。 1821年，法拉第发现了电磁旋转。 这个实验装置是将电能转换为机械能的第一个装置，是电滚子的雏形。 法拉第在1823年通过一系列的电磁旋转实验，既然电流作用于磁，那么既然认为磁必然反作用于电，那么既然电能产生磁，那么磁也必然产生电(对称原理)。 为了实现磁力发电，法拉第从1824年开始进行了很多实验，但是相继失败了。 经过8年的失败，1831年8月29日，法拉第终于成功了。 他在软铁元素环的a边上缠绕了3个线圈，既可以串联使用，也可以单独使用。 在b边缠绕2个相同方向的线圈，将b边的线圈与检流补正连接，将a边

7、的线圈与电池连接。 电路接通时，电流计显着偏转，断开时，电流计反向偏转，然后进行了大量实验。 10月末到11月头儿，法拉第在萩名圆盘实验的1832年，露西亚物理学家卢尼维斯(1804-1865 )在实验中发现了感应电流的效果经常抵抗引起感应电流的原因这一卢尼维斯法则。 或者，闭合回路中的感应电流的方向总是表现为阻止或补偿其由激励磁场引起感应电流的磁通量的变化。 法拉第认为，感应电流与原电流的变化有关，并不是为了说明与原电流本身有关的电磁效应现象，而是提倡“电张力”的概念后，考虑了电磁效应的各种状况后，认为感应电流的产生可以切断导体的“磁力线”。 发现电磁效应现象20年后，1851年得到了电磁效

8、应法则。 法拉第发表了关于磁场力的物理线，强调了力线是物理性的存在，提出了场的概念，认为引力、电力、磁场力都不被看作是超距离作用，应该是“通过介质传播的接近作用力”，这个传播需要花费时间，但他认为这个介质是“以太网”， 尽管如此，他提出的力线和场的概念是相反的“自然段统一”的哲学思想，指导和影响法拉第的科学研究，相信电和磁的统一，即相互作用和转换。 这种思想至今仍支配着物理学的发展，人们仍在寻求大统一理论、超大统一理论。 1845年，德意志物理学家纽曼首次在理论上推导出了电磁效应规律的定量公式：导体电路中产生的感生电动势大小与穿过导体电路的磁通随时间的变化率成正比。 二、法拉第电磁效应定律，方

9、向：由楞次定律决定的大小：“负号”表示感生电动势方向，是楞次定律的数学表示。 1851年，法拉第通过实验验证了理论导出的电磁效应规律的定量表现式。 在t1T2的时间间隔中通过导线的任意截面的感应电量相对于n匝线圈、磁通链、感应电流、感生电动势，由磁通的变化率决定，感应电量与磁通的变化量成正比，而与时间无关。三、楞勃定律(判断感应电流的方向)、感应电流的效果引起感应电流的原因、导线运动、感应电流、磁通变化、感应电流、阻止或补偿闭合电路中的感应电流的方向，总是阻止或补偿由该感应磁场引起的感应电流的磁通变化。 决定感应电流的方向、方向、方向、方向、方向、方向。、一、动电动势、动电动势是导体或导体电路

10、在恒定磁场中运动而产生的电动势。14-2动电动势和感生电动势、动电动势的原因是，导线内的自由电子受到的洛伦兹力上，在这个力的作用下，电子沿着导线从a向b移动，在b端出现过剩的负电荷，在a端出现过剩的正电荷。非静电力，这里，非静电场的电场强度与非静电力相反，非静电力功系统的电势能增加，即正电荷由于非静电力从低电位向高电位移动。 电子受到的静电力在平衡时电荷停止蓄积，在ab两端形成稳定的电位差。 方向ab，由在导线内部产生静电场的电动势定义，在运动导线ab中产生的动电动势由动电动势的公式、非静电力定义，定义为非静电电场强度，一般，上述的动电动势、导线l整体的动电动势、导线为曲线，导线上的各长度要素

11、上的速度分别不同，校正动电动势已知：求：动电动势。 形成闭合回路，形成方向：解：方法1、例子的一半的圆形金属导线在均匀的强磁场中切断磁力线运动的已知：求：动电动势。 方法2、r、方向：均匀磁场旋转，例如如图所示，长度为l的铜棒在磁感应强度为，的均匀磁场中角速度、角速度，求出：棒上感生电动势的大小和方向。 解：方法1、微单元、方向、方法2、作为辅助线，形成闭合回路OACO，负号表示方向沿着AOCA、OC、CA段没有动电动势，问题是铜棒置换为金属圆盘、中心与边缘之间，例一条导线CD在无限长的直流磁场中切断磁力线求：动电动势。、a、b、I、解：方法1、方向、不均匀磁场、a、b、I二、感生电动势和感应

12、电场，一、感生电动势通过磁场的变化而激励的电动势、电磁效应、二、麦斯威尔，假设变化的磁场在其周围的空间激励螺旋状的电场，则存在螺旋电场或者，根据非静电力、感生电动势、感应(旋涡)电场力、电动势的定义、法拉第电磁效应定律，由于面元与夹角与时间无关，因此上式的求导和积分可以调换顺序。 讨论，2) S是以l为边界的任意曲面。 的法线方向应该选择为与曲线l的积分方向成为右手螺旋关系，曲面上的任意一个面要素中的磁感应强度的变化率，1 )该式反映变化磁场和感应电场的相互关系，即感应电场由变化的磁场产生。 (3)上式中的“减号”表示感生电动势和涡电场的方向，而不是积分电路路线上的磁感应强度的变化率，根据楞勃

13、定律判定。 Maxwell关于“变化的磁场激发变化电场”的假设，不管空间导体的有无，无论是真空还是介电质都适用。 也就是说，如果存在变化的磁场，则必定存在旋涡电场和感生电动势。 当导体存在时，在导体上形成涡流，当导体不存在时，涡流电场与感生电动势一样存在，只是不形成涡流。 (4)涡旋电场没有内外电路的部分，在电路l上的任何一点都存在非静电电场强度，电路整体相当于无数个干电池的串联。、感应电场电力线、3、感应电场的校正运算，例1限于在半径r的圆柱形空间内分布均匀的磁场，方向如图所示。 磁场的变化率求出圆柱内外的分布。方向：逆时针方向、与l积分方向相同的方向、与l积分方向相反的方向、在圆柱体外，由

14、于B=0，因此该圆面积包括柱体截面的面积，如果柱体内、方向：逆时针方向相符，请进行修正。、3360，电动势的方向为从c到d，通过法拉第电磁效应定理求：结构电路OCDO，1，2，结构电路OC2DO，结构电路OC3DO，C3D中有感生电动势吗？ 如果适用的话，修正那个尺寸。 与、4、1、2、3、4的修正算法相比，可知感应电场不是维护场，其工作关系到路径。 的方向逆时针方向D 4C、1、电路CD4C，求出杆两端的感生电动势的大小和方向，具有1、电子感应加速器、涡电场引起的电子的加速、3、感应电场的应用、2、涡电流(涡电流)、体金属在磁场中移动的趋肤效应涡电流和涡电流等交变电流集中在导体表面的效果。

15、涡流的热效应，涡流加热，增益，1，不易熔化的金属和特殊合金的熔化期2，家庭如电磁炉3，电磁阻尼大头针，缺点，热效应太强，温度过高，容易破坏绝缘，容易消耗电能，可能引起事故，减少涡流：1， 1 .自电感量现象：磁通链数，14-3自电感量互感电动势，1) L的含义：自电感量系数和自电感量电动势，自电感量系数与电路中有基波电流流动时，经过自电路包围面积的磁通链数数值相等。若I=1 A，则进行l的修正，2 )若自感生电动势、电路的几何形状、尺寸不变，则周围介质的磁导率不变，上式减号表示自感生电动势的方向，用楞勃定律进行判定，研究：2.l，自电感量的修正步骤：例1、长直索已知的是，关于匝数n、截面积s、

16、长度l、磁导率、每单位长度的自电感量，例如求出无限长同轴传输线的每单位长度的自电感量。 已知R1、R2、h、n、l与I无关，仅与电路的几何形状、大小、匝数以及周围介质的导磁率有关。 二、相互感应、二、互感电动势和互感电动势电动势、一)互感电动势(m )、根据两个载波线圈的电流变化对对方线圈进行感生电动势激励的现象称为相互感应现象。 1、互感电动势现象、两电路的几何形状、尺寸及相对位置不变，周围无铁磁性物质。 在实验中，I1(I2 )的磁场通过2(1)的交链磁通，M21(M12):1(2)相对于2(1)的互感电动势系数。 实验和理论证明： (2)互感电动势电动势：互感电动势系数和两电路的几何形状、尺寸、它们的相对位置以及周围介质