哈工大—大学物理课件—第8章-电磁感应和电磁场理论的基本概念.ppt
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- 哈工大 大学物理 课件 电磁感应 电磁场 理论 基本概念
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1、第第8 8章章 电磁感应和电磁场理论的基本概念电磁感应和电磁场理论的基本概念8.1 电磁感应定律电磁感应定律一一 电磁感应现象电磁感应现象dmBS 磁通量总之总之发生变化发生变化(导体回路中一部分切割磁力钱导体回路中一部分切割磁力钱)SB1)不变不变变化变化3)B不变S之间夹角变化和SB(线圈在磁场中转动)不变不变2)SB不变不变变化变化(各种原因)(各种原因)N 用愣次定律判断感应电流用愣次定律判断感应电流 I 方向方向(b)(a)来来者者拒拒之之去去者者留留之之N II 楞次定律是能量楞次定律是能量守恒定律的一种表现守恒定律的一种表现机械能机械能焦耳热焦耳热二、楞次定律二、楞次定律 闭合回
2、路中,感应电流的闭合回路中,感应电流的流动方向,总是使该电流激流动方向,总是使该电流激发的磁场去阻碍引起感应电发的磁场去阻碍引起感应电流的磁通量的变化流的磁通量的变化三、法拉第电磁感应定律三、法拉第电磁感应定律导体回路中感应电动势导体回路中感应电动势ddmtddmt 成正比,在国际单位制中,成正比,在国际单位制中,小与穿过该回路的磁通量的时间小与穿过该回路的磁通量的时间变化率变化率其数学表达式为:其数学表达式为:的大的大3式中式中“”d0,dmt则 如图如图(a)如图如图(b)(a)(b)若线圈是若线圈是 匝串联而成匝串联而成,则则:ddddmmNtt mmN式中,伏特的单位:ddmt:m穿过
3、整个线圈的磁通匝穿过整个线圈的磁通匝链数链数-磁链磁链,(Wb 韦伯韦伯)1 V=1 Wb/sd0,dmt则例:直导线通交流电例: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LImN ladtIIsin0(常数常数I0 和和 0)设回路设回路L方向如图方向如图 ox在任意坐标处取一面元在任意坐标处取一面元dSdSdSN BS d2d adINl xx dSN B S ln2NIldad 0sinln2NI ldatd 00cosln2rN
4、I ldatd ddit 交变的交变的电动势电动势500cosln2riNI ldatd t 2t 0i i0i iddmt d(cos)dBSt LIladxodS6+vBabmF-+eF如图,直导线如图,直导线ab在运动时,导线内每个自由电子受洛在运动时,导线内每个自由电子受洛伦兹力伦兹力BeFv)(m平衡时平衡时(2)meFFeE 使电子向下运动到使电子向下运动到a端,端,b “+”a “”结果结果ab 具有一定电势差具有一定电势差Uab ab相当电源相当电源ab 电源,反抗电源,反抗 做功,将做功,将+q由负极由负极正极,正极,维持维持Uab的非静电力的非静电力 洛仑兹力洛仑兹力mFe
5、FEiab8.2 动生电动势动生电动势一、一、动生电动势的由来动生电动势的由来7产生动生电动势产生动生电动势的非静电力的非静电力-FmIi根据电动势的定义:根据电动势的定义:(2)idlElE(2)mFEBe v(2)meFFeE产生动生电动势产生动生电动势的非静电场的非静电场动生电动势:动生电动势:i()dlBlEv如图,设长为如图,设长为l的直杆的直杆ab,在均匀磁场,在均匀磁场B中匀速运动,则杆的动生中匀速运动,则杆的动生电动势:电动势:i0()ddlbaBlBlBlEvvv二、二、动生电动势的表达式动生电动势的表达式2023-1-7:LOA,O ,动动。BB解一:解一:取线元取线元ld
6、lv)(Bv与与 同向同向ldd()dBlvddLoB l l)(,)(OALAoBldlvBvdB l vdB l l212B L解二:解二:构成扇形闭合回路构成扇形闭合回路AOCAmAOCABSLABoC212BL22m21dd21ddBLtBLt由楞次定律由楞次定律)()(OA9求:求:?iIabcvaIB201)(202baIB11()diBlv1Bc v02Icav22()diBlv2Bcv02()I cab v21iii011()2Icaabv02()Ibca abv例:例:kEBt8.3 感生电动势感生电动势 涡旋电场及其应用涡旋电场及其应用 不论回路的形状及导体性质和温度如何,
7、只不论回路的形状及导体性质和温度如何,只要磁场变化导致穿过回路磁通量发生了变化,要磁场变化导致穿过回路磁通量发生了变化,就会在回路中产生就会在回路中产生感生电动势感生电动势:ddmt 麦克斯韦提出:麦克斯韦提出:变化的磁场在其周围空间激发变化的磁场在其周围空间激发一种新的电场,称为一种新的电场,称为感生电场或涡旋电场感生电场或涡旋电场,用,用 表示表示(2)E(2)dlEl 产生感生电动势的非静电力产生感生电动势的非静电力K,正是这一涡旋电场正是这一涡旋电场:ddmtdddBStdBSt(2)ddlBElSt 一、感生电动势和涡旋电场一、感生电动势和涡旋电场11rEB静电场与感生电场比较:静电
8、场与感生电场比较:共同点:共同点:都对电荷有作用力。都对电荷有作用力。不同点不同点:感生电场电力线是闭合的,感生电场电力线是闭合的,是有旋场,而静电场是无旋场。是有旋场,而静电场是无旋场。静电场由静止电荷激发,静电场由静止电荷激发,而感生电场由变化的磁场激发;而感生电场由变化的磁场激发;12二、二、电子感应加速器电子感应加速器 原理原理:在电磁铁的两极之:在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室,当间安置一个环形真空室,当用交变电流励磁电磁铁时,用交变电流励磁电磁铁时,在环形室内除了有磁场外,在环形室内除了有磁场外,还会感生出很强的、同心环还会感生出很强的、同心环状的涡旋电场。用电子枪将状的涡旋电
9、场。用电子枪将电子注入环形室,电子在洛电子注入环形室,电子在洛伦兹力的作用下,沿圆形轨伦兹力的作用下,沿圆形轨道运动,在涡旋电场的作用道运动,在涡旋电场的作用下被加速。下被加速。电子感应加速器是利用涡旋电场加速电子以获得高能粒子的一电子感应加速器是利用涡旋电场加速电子以获得高能粒子的一种装置。种装置。13三、涡旋电流及其在工业上的应用三、涡旋电流及其在工业上的应用 感应电流不仅感应电流不仅能在导电回能在导电回 路内出路内出现,现,而且当而且当大块导大块导体体与磁场有相对运与磁场有相对运动或处在变化的磁动或处在变化的磁场中时,在这块导场中时,在这块导体中也会激起感应体中也会激起感应电流电流.这种
10、在大块导这种在大块导体内流动的感应电体内流动的感应电流流,叫做涡电流叫做涡电流,简简称称涡流涡流.应用应用 热效应、电磁阻尼效应热效应、电磁阻尼效应.电磁感应的应用电磁感应的应用14变化的均匀磁场变化的均匀磁场)(tBB ddkLBElSt abkEkEc2d()2dkB tErRt外21d()12 dkB tERtr外涡旋电场是非保守场涡旋电场是非保守场不能引入电势概念!不能引入电势概念!例:同一时刻例:同一时刻 b、c 两点间两点间电势差可有很多值。电势差可有很多值。外kE外kE弧弧bcbcbcbcVV2 d()2dkB tErrt内 1d()2 dkB tErt内15在上题的磁场中,在上
11、题的磁场中,当当d0dBCt时,时,在螺线管内横截面上,在螺线管内横截面上,有一长为有一长为L、距圆心的垂直距离为、距圆心的垂直距离为h的直线的直线MN,如图,试求,如图,试求MN上的感应电动势。上的感应电动势。MNhO解:解:方法一:方法一:dikLElEkrdl上的感应电动势为上的感应电动势为dlddikEldcos d2 drB lt dd2 dhBlt dikLEld2 dhBLt CLh20 i 的真实方向为由的真实方向为由N至至M,16方法二:方法二:ddit 作辅助线作辅助线NO和和OM,因,因Ek沿切向,故它沿沿切向,故它沿NO和和OM段的线积分为零,所以闭合曲线段的线积分为零
12、,所以闭合曲线NOMN上的感上的感应电动势即为应电动势即为MN段上的感应电动势。段上的感应电动势。设绕行方向为设绕行方向为NOMN,则则hLS21面积面积LBhBS2dditd2dhBLt LCh20MNhO17一一.自感自感 当一个线圈中电流发生变化时,它所激发当一个线圈中电流发生变化时,它所激发的磁场使得该线圈自身的磁通量也随之发生变的磁场使得该线圈自身的磁通量也随之发生变化,而在自身产生感应电动势,称为化,而在自身产生感应电动势,称为自感自感现象现象。由此产生的感应电动势称为。由此产生的感应电动势称为自感电动势自感电动势1.自感现象与自感电动势自感现象与自感电动势8.4 8.4 互感和自
13、感互感和自感miRABLL1I2I自感现象实验示意图自感现象实验示意图18设闭合回路中的电流强度为设闭合回路中的电流强度为imimLimLi回路中的磁通为回路中的磁通为写成等式写成等式则比例系数则比例系数定义为该回路定义为该回路的自感系数(或自感)的自感系数(或自感)单位:单位:亨利亨利(H)根据法拉第电磁感应定律:根据法拉第电磁感应定律:mddLt如果回路自身性质不随时间变化,则:如果回路自身性质不随时间变化,则:ddLiLt d()dLit dd()ddiLLitt d/dLLit则则自感系数还可定义为自感系数还可定义为2.自感系数自感系数 L19ddLiLt 自感电动势自感电动势L:描述
14、线圈电磁惯性的物理量。描述线圈电磁惯性的物理量。线圈阻碍线圈阻碍 i 变化能力增强。变化能力增强。LL ddit自感系数自感系数L取决于回路线圈自身的性质取决于回路线圈自身的性质(回路大小、形状、周围介质等回路大小、形状、周围介质等)若回路是一个绕有若回路是一个绕有N匝的长直螺线管,管内充满磁导率为匝的长直螺线管,管内充满磁导率为 的的磁介质,磁介质,且管长为且管长为l,通有电流,通有电流 i,设管的横截面积为,设管的横截面积为S,则,则22md()dddddLNN Siintltt E自感电动势:自感电动势:BniNi lmNNBS2LnSl体积体积则则一定一定,20二二.互感互感 两个载流
15、回路相互的激起两个载流回路相互的激起感生电动势的现象称为感生电动势的现象称为互感互感现象现象,所产生的电动势称为,所产生的电动势称为互感电动势互感电动势。m2121 1M im1212 2M iMMM2112M称为称为互感系数互感系数(简称(简称互感互感)m211 2m121 i2im211Mim122Mi回路回路1中电流中电流i1 激发的磁场通过激发的磁场通过回路回路 2 的磁通量为的磁通量为回路回路2中电流中电流i2 激发的磁场通过回激发的磁场通过回路路 1 的磁通量为的磁通量为211212mmMII定义定义:相互提供磁通量的强弱。相互提供磁通量的强弱。212121ddmt 122212d
16、d()ddddmMiiMttt 由法拉第电磁感应定律,两线圈的互感电动势分别为由法拉第电磁感应定律,两线圈的互感电动势分别为(M 恒定)恒定)(M 恒定)恒定)121d,diMt211d/dMit互感系数还可定义为互感系数还可定义为212ddiMt1d()dMit 1ddiMt 122d/dit互感互感 M 与与 下列因素有关:下列因素有关:线圈的线圈的 相对位置;相对位置;周围磁介质的磁导率。周围磁介质的磁导率。互感系数互感系数 M 单位单位:亨利亨利()线圈线圈 形状,大小,匝数;形状,大小,匝数;当线圈周围有铁磁质时,还依赖于线圈中的电流。当线圈周围有铁磁质时,还依赖于线圈中的电流。22
17、ML1L2电路符号:电路符号:这种由磁链交连的电路称为这种由磁链交连的电路称为互感耦合电路互感耦合电路或或互感电路互感电路L1L2磁棒磁棒放放大大器器23解:看作两个回路,设导线路通以电流解:看作两个回路,设导线路通以电流IddSl x21ddBS21dbaB S abIlln202121N例例1 1)在一通电长直导线旁边放有一截面积为矩形的线圈框,已)在一通电长直导线旁边放有一截面积为矩形的线圈框,已知匝数知匝数N=5=5,线框是闭合的,求直导线与线框间的互感量,线框是闭合的,求直导线与线框间的互感量M。图。图中中 a=10cm,b=20cm,l=20cm。labxdxXo 21I0d2ba
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