电磁感应及电磁场基本规律课件.ppt
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1、主要内容主要内容 1 1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 2 2 动生电动势动生电动势 感生电动势感生电动势 涡旋场涡旋场 3 3 自感与互感自感与互感 4 4 电感和电容的暂态过程电感和电容的暂态过程 5 5 磁场的能量磁场的能量 6 6 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组8.1.1 电磁感应现象电磁感应现象闭合线圈的面积改变 ff 小结:小结:穿过线圈的磁通量磁通量发生了变化,从而在线圈中产生了感应电流。NSB v LB v NSIne Lv NSB Ine 0 d0dt 8.1.2 楞次定律楞次定律闭合的导线回路中所出现的闭合的导线回路中所出现的感应电流,总是使它自己感应电流,总是使它自
2、己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因(反抗相(反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等)对运动、磁场变化或线圈变形等)0 d0dt Lne v NSB LIne Ine 0 d0dt 0 d0dt d0dt v NSB Ld0dt 闭合的导线回路中所出现的闭合的导线回路中所出现的感应电流,总是使它自己感应电流,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所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因(反抗相(反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等)对运动、磁场变化或线圈变形等)楞次定律是能量守恒能量守恒定律的一种表现v iI维持滑杆运动必须外加一力,此过程为外力克
3、服安培外力克服安培力做功转化为焦耳热力做功转化为焦耳热。机械能焦耳热mF+B 闭合的导线回路中所出现的闭合的导线回路中所出现的感应电流,总是使它自己感应电流,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所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因(反抗相(反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等)对运动、磁场变化或线圈变形等)8.1.3 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,回路中会产生感应电动势,且感应电动势正比于磁通量对感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值时间变化率的负值。ddt E E其中:若是N N 匝线圈12N ddt E E若N ddNt E
4、E则SBd 回路中的感应电流感应电流1 ddiRRt E E 回路中的感应电荷感应电荷22111211dd()ttqi tRR dddqiqi tt 表明:表明:在一段时间内通过导线截面的感生电荷量与这段时间内导线回路所包围的磁通量的变化值成正比变化值成正比,与磁通量变化的快慢无关与磁通量变化的快慢无关例例 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。求求线圈中的感应电动势。RNO OiB ne 解:解:设 时,0t ne 与 同向,则t B cosNNBStdsindNBStt E令mNBS Emsint EE则RNO OiB ne msint E
5、EmmsinsinitItREmmIR E可见,在匀强磁场中匀速转动的线圈内的感应电流是时间的正弦函数。这种电流称为交流电。8.1 法拉第电磁感应定律将磁铁插入非金属环中,环内有将磁铁插入非金属环中,环内有无感生电动势?有无感应电流?无感生电动势?有无感应电流?环内将发生何种现象环内将发生何种现象有感生电动势存在,有电场存在有感生电动势存在,有电场存在将引起将引起介质极化,介质极化,而无感生电流。而无感生电流。VNS为什么会引起介质的极化?为什么会引起介质的极化?+E EB abv I8.2.1 动生电动势动生电动势一、动生电动势一、动生电动势kEFeB v kFEBe v 非静电非静电性场强
6、性场强ikd()dElBlv E E非静电性场强非静电性场强只存在于运动的导体ab段中ikd()dbbaaElBlv E E动生电动势的动生电动势的非非静电力场来源静电力场来源 洛伦兹力洛伦兹力v B abB v kEBv 注意:注意:只有当导线横切磁感线时,才会产生只有当导线横切磁感线时,才会产生动生电动势。动生电动势。讨论讨论1 1在在任意的稳恒磁场任意的稳恒磁场中,中,任意形状的导线任意形状的导线因运动或形变因运动或形变整个导体或回路整个导体或回路 L 中产生的中产生的动生电动势动生电动势为为()dLBl v ()dLBl v d ()dBl v任一线元任一线元 dl 的速度为的速度为
7、v,电子的运动电子的运动随导体运动的速度随导体运动的速度 v 相对于导体运动的速度相对于导体运动的速度 v合成速度合成速度为:为:V=v+v洛伦兹洛伦兹合力合力做功的功率:做功的功率:()()0F Vffffe BeBvvvvv vvvffvv extff 总的洛伦兹力:总的洛伦兹力:()FeB vv讨论讨论2 2说明说明:外力外力 fext 克服洛伦兹力的克服洛伦兹力的一个一个分量分量 f 所做的功通过洛伦兹力的所做的功通过洛伦兹力的另另一个分力一个分力 f 对自由电子做功,使自对自由电子做功,使自由电子作定向运动,形成电流(如果由电子作定向运动,形成电流(如果电路闭合),从而把电路闭合),
8、从而把外力做功所消耗外力做功所消耗的能量(机械能)转换成电能。的能量(机械能)转换成电能。extffvv外力做功的功率外力做功的功率例例 3 法拉第圆盘发电机法拉第圆盘发电机 一半径为 、厚度 的铜圆盘,以角速率 绕通过盘心 垂直的金属轴 转动,轴的半径为 ,且 圆盘放在磁感强度 的均匀磁场中,的方向亦与盘面垂直。有两个集电刷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。31.0 10 md B 11.2mR 322.0 10 mR OO 5 2rad/s 2R10TB 1RB r.OO MN B 22RiE E解:解:1 dR 因为 ,所以不计圆盘厚度。dr 如图
9、取线元线元dr 则id()dBr E EvddB rr B r v(方法一)(方法一)21idRRr B r E E22121()2B RR 226V 圆盘边缘的电势高于中心圆盘边缘的电势高于中心转轴的电势转轴的电势1RB r.OO MN B 22RiE E(方法二)(方法二)则2212()2BRR 22121()2B RR N解:解:取一虚拟的闭和回路MNOM并取其绕向与 相同B 设 时M 与N 重合即0t 0 则 时刻tt iddt E22121()2B RR 方向与回路方向与回路MNOM绕向相反,绕向相反,即盘缘的电势高于中心即盘缘的电势高于中心8.1 法拉第电磁感应定律例例4 4:直导
10、线通交流电:直导线通交流电 置于磁导率为置于磁导率为 的的介质中介质中求:与其共面的求:与其共面的N匝矩形回路中的感应电动势匝矩形回路中的感应电动势解:设当解:设当I I 0 0时,电流方向如图时,电流方向如图LINNBdSSladtIIsin0已知已知其中其中 I0 和和 是大于零的常数是大于零的常数设回路设回路L方向如图方向如图xo建坐标系如图建坐标系如图在任意坐标处取一面元在任意坐标处取一面元sdsd8.1 法拉第电磁感应定律NN B dSSldxxINadd2N Ildad2lnNI ltdad02sinlndadtlNIrlncos200SBdsNdtdi交变的交变的电动势电动势la
11、dLIxosd8.1 法拉第电磁感应定律dadtlNIrilncos200t 2t0i ii000vB0abzBllldr方向从方向从 a ba(-);b(+)8.1 法拉第电磁感应定律 v B a b 图示在磁感强度为图示在磁感强度为 的均匀磁场中,有一任意形状不共面的导的均匀磁场中,有一任意形状不共面的导体折线体折线ab以以 速度平动,试证明导体上的电动势为:速度平动,试证明导体上的电动势为:式中式中 是以是以a为起点,为起点,b为终点的矢量为终点的矢量 Bv()abBab vab8.1 法拉第电磁感应定律证:任一线元,证:任一线元,以以 运动时的动生电动势为运动时的动生电动势为 整个导体
12、的动生电动势为整个导体的动生电动势为 ldvd(v)dBl(v)d(v)dbbaaBlBlabB)(v产生感生电动势的非静电场 感生电场麦克斯韦假设麦克斯韦假设 变化的磁场在其周围空间激发一种电场,这个电场叫感生电场感生电场 。kE 闭合回路中的感生电动势kidddLElt E E8.2.2 感生电动势感生电动势 感应电场的性质感应电场的性质8.1 法拉第电磁感应定律rSdBdSdtt涡旋电场、位移电流都是奠定电磁场存在的理论基础。涡旋电场、位移电流都是奠定电磁场存在的理论基础。涡旋电场涡旋电场(从电磁感应定律寻求涡旋电场与变化磁场的关系)(从电磁感应定律寻求涡旋电场与变化磁场的关系)电源电动
13、势的定义电源电动势的定义rE感应电场感应电场涡旋电场涡旋电场cE静电场静电场()crEEELlEdkLrlEdrSdtBlEsLdr0LlEdcSdtBlEsLd8.1 法拉第电磁感应定律*显然,涡旋电力线是无头无尾的闭合曲线,所以显然,涡旋电力线是无头无尾的闭合曲线,所以 称之为有旋电场。类似于磁力线。称之为有旋电场。类似于磁力线。0LSB dlj dS*涡旋电场涡旋电场永远和磁感应强度矢量的变化永远和磁感应强度矢量的变化连在一起。连在一起。*S 面是面是 L 曲线所包围的面,曲线所包围的面,L的的 绕行方向与绕行方向与 S 面的法线方向成面的法线方向成 右手螺旋关系。右手螺旋关系。L nS
14、*涡旋电场与静电场相比涡旋电场与静电场相比相同处:相同处:对电荷都有作用力。对电荷都有作用力。若有导体存在都若有导体存在都能形成电流能形成电流不相同处:不相同处:涡旋电场不是由电荷激发,涡旋电场不是由电荷激发,是由变化磁场激发。是由变化磁场激发。涡旋电场电力线不是有头有尾,涡旋电场电力线不是有头有尾,是闭合曲线。是闭合曲线。SdtBlEsLdr8.1 法拉第电磁感应定律 特殊情况下感生电场的计算特殊情况下感生电场的计算空间均匀的磁场限制在半径为空间均匀的磁场限制在半径为R的圆柱内,的圆柱内,求:求:感生E分布分布解:设场点距轴心为解:设场点距轴心为r,r,根据对称性,取以根据对称性,取以o o
15、为心,过场点的圆周环路为心,过场点的圆周环路LrEl dEL2感生感生B0 0LrdtdBS由法拉第电由法拉第电磁感应定律磁感应定律B的方向平行柱轴的方向平行柱轴cdtdB且有且有8.1 法拉第电磁感应定律00idtdB 00idtdB dtdBrSE2感生2rSRr dtdBrRE22感生8.1 法拉第电磁感应定律dtdBrREdtdBrE222感生感生特殊条件特殊条件 感生电场是以法拉第电磁感应定律为基础的感生电场是以法拉第电磁感应定律为基础的,源于法拉第电磁感应定律又高于法拉第电磁感,源于法拉第电磁感应定律又高于法拉第电磁感应定律。只要以应定律。只要以L为边界的曲面内有磁通的变化为边界的
16、曲面内有磁通的变化,就存在感生电场的。,就存在感生电场的。涡电流涡电流 趋肤效应趋肤效应电子感应加速器的电子感应加速器的基本原理基本原理 1947 1947年年世界第一台世界第一台 70 70MeVMeV讨论讨论8.1 法拉第电磁感应定律 O A B B 在圆柱形空间内有一磁感强度为在圆柱形空间内有一磁感强度为 的均匀磁场,如图所示的均匀磁场,如图所示 的大小以速率的大小以速率dB/dt变化在磁场中有变化在磁场中有A、B两点,其间可放直导线两点,其间可放直导线AB和弯曲的导线和弯曲的导线AB,则则 BB (A)电动势只在电动势只在AB导线中产生导线中产生 (B)电动势只在电动势只在AB导线中产
17、生导线中产生 (C)电动势在电动势在AB和和AB中都产生,且两者大小相等中都产生,且两者大小相等 (D)AB导线中的电动势小于导线中的电动势小于AB导线中的电动势导线中的电动势 RNO OiB ne dsindNBStt Emsint EE8.2.3 动电磁感应的应用举例动电磁感应的应用举例一、交流发电机一、交流发电机交流发电机就是利用电磁感应现象将机械能机械能转化为电能电能的装置二、电子感应加速器二、电子感应加速器真空环形室真空环形室NSNS BOTT/2TnFkFeE kE1.电子在环形轨道中运动,轨道半径 R 一定,轨道所处的真空室中,磁场应该满足电子在恒定轨道上加速应满足的条件电子在恒
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