第十二章-电磁感应-电磁场和电磁波-基本规律要点.ppt

1、物 理 学 教 程（第二版）,学习指导,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波,一、教学基本要求,1.掌握法拉第电磁感应定律和楞次定律及应用.,2.掌握动生电动势及感生电动势的概念、规律和计算方法.,3.掌握自感和自感电动势、互感和互感电动势的定义及其物理意义,并能对简单问题进行计算。,4.理解磁场能量,能计算简单的磁场的能量.,5.了解涡旋电场、位移电流麦克斯韦方程组物理意义。,6.了解电磁振荡和电磁波的基本概念.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 一、教学基本要求,二、基本概念及规律,1.电磁感应的基本定律,当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,不论这种变化是什么原因引起的,回路中都会建立

2、起感应电动势 法拉第电磁感应定律.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,说明：,(1) 通过N匝线圈的磁通匝数(磁链)为 = N.,(2)如果闭合回路的电阻为R,则回路中感应电流,(3) t1t2时间内通过回路任一截面的感应电荷,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,楞次定律 感应电流的方向总是使它自己的磁场穿过回路面积的磁通量,去抵偿引起感应电流的磁通量的改变.,利用楞次定律可以确定感应电流的方向,从而确定感应电动势的方向.,楞次定律是把能量守恒与转换定律应用于判断感应电流方向时的必然结果.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,2.动生电动

3、势和感生电动势,动生电动势 导体在磁场中运动(移动或转动)使回路所围面积的变化或面积取向变化,引起回路中磁通量变化而产生的感应电动势称为动生电动势.,产生动生电动势的非静电力是洛仑兹力.非静电的电场强度是单位正电荷所受到的洛仑兹力.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,在磁场中运动导线所产生的动生电动势为,闭合回路导线产生的动生电动势也可用,E 的指向：由低电势指向高电势。,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,感生电动势 若一闭合导体回路或一段导体静止地处于变化的磁场中,这时回路或导体中产生的感应电动势称为感生电动势.,(1)感生电动势是感生电场产生的，产生

4、感生电动势的非静电力是感生电场力。,说明:,(2)感生电场产生于变化磁场的周围空间,而不管这个空间是真空,还是存在导体或电介质.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,(3)感生电场与静电场区别,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,3.涡电流,当大块导体与磁场有相对运动或处在变化的磁场中时,在大块导体中产生的感应电流叫做涡电流,简称涡流.,强大的涡流在金属块内流动时,会释放出大量的焦耳热,其应用叫做感应加热.在交流设备铁心中的涡流所引起的能量的损耗叫做涡流损耗.利用涡电流产生非接触的阻尼作用称为电磁阻尼,被广泛应用于各类机械、仪表装置.,第十二章 电磁感应 电

5、磁场电磁波 二、基本概念及规律,4.自感电动势和互感电动势,自感电动势,如果回路中电流变化,而在回路自身产生的感应电动势称为自感电动势.,自感 L只与组成回路的导体形状、大小、匝数和磁介质有关,与回路是否通电无关.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,线圈的自感L越大,在电路中阻碍电流变化的特性也越强.它是电路中“阻交流”、“通直流”的元件.公式中的负号表示自感电动势总是反抗回路中电流的变化,而不是电流本身.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,互感电动势,相邻两个线圈,其中一个线圈中电流变化,而在另一个线圈中产生的感应电动势称为互感电动势.,互感 M与两个

6、线圈的形状、大小、匝数、相对位置以及周围磁介质有关.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,5.磁场能量、磁场能量密度,磁场能量同电场能量一样定域在场中.,磁场能量密度,磁场能量,自感磁能,互感磁能,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,6.位移电流、麦克斯韦方程组的积分形式,位移电流:通过电场中某一截面的位移电流Id等于通过该截面电场强度通量e对时间的变化率与0 的乘积.,位移电流密度:电场中某一点的位移电流密度矢量等于该点电场强度矢量对时间的变化率与0的乘积.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,麦克斯韦方程组的积分形式,第十二章 电磁感应

7、 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,说明：,(1)方程组中的式是静电场的高斯定理与涡旋电场遵循的高斯定理的结合.式是法拉第电磁感应定律与静电场环路定理的结合,式中 是静电场与涡旋电场的合场强.式是传导电流产生的磁场所遵循的高斯定理与位移电流产生的磁场所遵循的高斯定理的结合,式中 是总的磁感强度.式是恒定磁场的安培环路定理与位移电流产生的磁场所遵循的环路定理的结合.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,(2)涡旋电场与位移电流的假设是麦克斯韦建立电磁场方程组时最重要的突破和贡献.,(3)麦克斯韦方程组的积分形式,系统而完整地概括了电磁场的基本性质和规律.为建立统一的电磁场理论奠

8、定了基础,而且预言了电磁波的存在及其性质,揭示了光的电磁本性.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,7.电磁振荡和电磁波,电磁振荡 电流与电荷、电场与磁场随时间作周期性变化的现象叫做电磁振荡.,无阻尼自由电磁振荡(LC电磁振荡)电路中没有任何能量耗散的电磁振荡.,自由电磁振荡角频率 由系统本身所决定,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,电磁波 交变电磁场在空间的传播称为电磁波.,LC振荡辐射电磁波的条件:,(1)振荡频率足够高.频率越高，辐射能量越大.,(2)电路必须是开放型的，才能把电磁能以电磁波的形式辐射出去.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本

9、概念及规律,电磁波的基本特性,(1)电磁波是横波 ,成右手螺旋关系;并且电磁波具有偏振性.,(4)真空中电磁波的传播速度等于真空中光速,(2) 和 同相位.,(3) 和 的幅值成比例,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,真空中电磁波的能量 电磁波的传播过程就是电磁场能量的传播过程.,(1)能流密度矢量S(坡印廷矢量):单位时间内通过垂直于传播方向上的单位面积的电磁能量.,(2)平均能流密度:能流密度在一个周期内的平均值.,E0和B0分别是电场强度和磁感强度的振幅.,第十二章 电磁感应 电磁场电磁波 二、基本概念及规律,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,例1

10、2-1 设有由金属丝绕成的没有铁芯的环形螺线管,单位长度上的匝数 n = 5000 m-1，截面积S=210-3 m2.金属丝的两端和电源 E 以及可变电阻串联成一闭合回路,在环上再绕一线圈 A ,匝数N = 5,电阻 R =2.0.如图,调节可变电阻,使通过环形螺线管的电流强度 I 每秒降低20A. 求(1)线圈A中产生的感应电动 势及感应电流,(2) 2s钟通过线 圈A的感应电荷.,三、典型例题指导,解 (1) 线圈 A 的感应电动势及感应电流,(2) 2s 通过线圈A的感应电量,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,例12-2 如图所示,金属杆AB以匀速v =2.0 ms

11、-1平行于一长直导线移动,此导线通有电流 I = 40 A,则此杆中的感应电动势为多少?杆的哪端电势较高?,解 取一段导体线元d x,A点电势较高,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,例12-3 如图所示,在一载流长直导线旁,有一矩形金属框以速度 向右运动,求线框中图示瞬时位置时的感应电动势.,解法一 左右两边的电动势对回路是相反,方向沿线框是顺时针,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,解法二 取顺时针为线框回路绕行正向,a(t)是变量,E为正值,电动势与回路绕行(顺时针)方向一致.,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,例12-4 让一块磁

12、铁顺着一根铅直放置的铜管落下,若铜管足够长,试定性描述磁铁的运动情况?,答 一块磁铁顺着一根铅直放置的铜管落下的过程中,铜管中要产生感应电流,此感应电流的磁场将对磁铁的下落起阻碍作用.磁铁下落速度逐渐增大时,铜管中感应电流也逐渐增大.若铜管足够长,使磁铁受到的阻力逐渐增大,当阻力增大到与磁铁的重力大小相等而方向相反时,磁铁受合力为零,于是磁铁就以恒定的收尾速度匀速下落.,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,例12-5 在有磁场变化着的空间,如果没有导体,此空间有无感生电场?有无感生电动势?,答 变化的磁场在其周围空间激发感生电场,这是电磁场本身的一种属性,不依赖于导体是否存在

13、和其它外界因素.因此在磁场变化着的空间一定有感生电场存在.,感生电动势是感生电场对移动电荷作功的一种本领,不依赖于电荷是否存在.因此只要有感生电场,对电场中任何一个回路,甚至任意一个不闭合的路径,都有相应的感生电动势.,第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,解 设导线电流为 I 方向如图,例12-6 有两根半径为 a 的平行长直导线,它们中心距离为 d ,试求长为 a 的一对导线的自感. (导线内部的磁通量可略去不计),第十二章 电磁感应 电磁场和电磁波 三、典型例题指导,例12-7 有一个长l = 1 m 截面 S = 10 cm,密绕有 N1= 1000 匝线圈的长螺线管,现在其中部再绕 N