第十二章電磁感應(yīng).ppt

1、第十二章 電磁感應(yīng) 電磁場(chǎng),12-1 法拉第電磁感應(yīng)定律,實(shí)驗(yàn)表明：穿過(guò)線圈所包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在回路中將產(chǎn)生的電流，該電流稱為感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng),二、電源 電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體內(nèi)存在穩(wěn)恒電場(chǎng) 是形成穩(wěn)恒電流的條件,電源提供非靜電力的裝置,外電路：靜電力對(duì)正電荷作正功，使它從高電勢(shì) 到低電勢(shì)。 內(nèi)電路：非靜電力對(duì)正電荷作功，使它從電源內(nèi) 部的負(fù)極板到正極板。,電動(dòng)勢(shì)：表征電源將其他能量轉(zhuǎn)化為電能的能力,電源將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置,定義：?jiǎn)挝徽姾衫@閉合回路運(yùn)動(dòng)一周，非靜電 力所做的功.,電源電動(dòng)勢(shì)大小等于將單位正電荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移至正極時(shí)非靜電力所作的功.,三、

2、法拉第電磁感應(yīng)定律,結(jié)束,在SI制中比例系數(shù)為1,2.感應(yīng)電流：,3.感應(yīng)電荷：,三者對(duì)時(shí)間t的變化,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,12-2 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì),一、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),非靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)：,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)：,對(duì)于動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，非靜電力為洛侖茲力,解：由動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)定義,即：, 0,0,=0,*ab向上運(yùn)動(dòng)：,0,等同于紅色直導(dǎo)線ab切割磁力線,0,交變電動(dòng)勢(shì),d,a,B,v,N,S,法拉第電磁感應(yīng)定律,二、感生電場(chǎng)和感生電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的非靜電力是什么？,感生電場(chǎng)像靜止電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)一樣真實(shí)，都會(huì)對(duì)帶電q的粒子作用一個(gè)電場(chǎng)力q 。導(dǎo)體內(nèi)

3、的帶電粒子在感生電場(chǎng)的作用下作定向移動(dòng)或聚集,從而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。,3.感生電場(chǎng),法拉第電磁感應(yīng)定律,感生電動(dòng)勢(shì)：,變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),法拉第電磁感應(yīng)定律,按引起磁通量變化的原因不同,電動(dòng)勢(shì)可分為:,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)：由于在外磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線內(nèi)電荷受洛倫茲力 作用而產(chǎn)生。,有旋電場(chǎng),比較,感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是無(wú)頭無(wú)尾 的閉合曲線，類似于磁感應(yīng)線。,與環(huán)路的繞向無(wú)關(guān),4. 感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)比較：,共同點(diǎn):都是電場(chǎng),對(duì)電荷都有力的作用,不同點(diǎn):,由靜止電荷激發(fā),隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)激發(fā),根源,討論：,因此在感生電場(chǎng)中，關(guān)于閉合導(dǎo)體上 二場(chǎng)點(diǎn)a和b間的電勢(shì)差以及場(chǎng)點(diǎn)a或 場(chǎng)點(diǎn)b的電勢(shì)等概念均不再有意義。,5.

4、感生電場(chǎng)的計(jì)算,舉例： 長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)變化所激發(fā)的感生電場(chǎng)。,解：,感生電動(dòng)勢(shì)方向,半徑為R的長(zhǎng)直螺線管中，均勻磁場(chǎng) 隨時(shí)間勻速變大 直導(dǎo)線ab=bc=R，求導(dǎo)線ac上的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,關(guān)鍵點(diǎn)：導(dǎo)線ab和bc所在區(qū)域的感生電場(chǎng)Ei不同，分段積分。,解法一：,加速器是一種使帶電粒子增加速度（動(dòng)能）的裝置。 加速器可用于原子核實(shí)驗(yàn)、放射性醫(yī)學(xué)、放射性化學(xué)、 放射性同位素的制造、非破壞性探傷等。 加速器的種類很多，有回旋加速器、直線加速器、靜電 加速器、粒子加速器、倍壓加速器等。,條件:Br隨電子動(dòng)量mv增加 而增加,電磁感應(yīng),按變化的原因分類,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),感生電動(dòng)勢(shì),按激發(fā)的方式分類,12-3

5、 自 感和互 感,一、自感應(yīng),2、自感電動(dòng)勢(shì)：,L 是電磁慣性的一種表現(xiàn)。,LR回路的時(shí)間常數(shù)或弛豫時(shí)間,長(zhǎng)直密繞螺線管:,例129 一長(zhǎng)直密繞螺線管，長(zhǎng)度為l，橫截面積為S，線圈的總匝數(shù)N，管中介質(zhì)的磁導(dǎo)率為 ，試求其自感系數(shù)。,設(shè)線圈中通有電流I,兩圓筒之間,單位長(zhǎng)度的自感為,二、互感應(yīng),實(shí)驗(yàn)指出：若兩回路幾何形狀、尺寸及相對(duì)位置不變， 周圍無(wú)鐵磁性物質(zhì)。,2、互感系數(shù)與兩回路的幾何形狀、尺寸，它們的相對(duì) 位置，以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。,若兩回路幾何形狀、尺寸及相對(duì)位置不變，周圍無(wú)鐵磁性物質(zhì)。,2、互感電動(dòng)勢(shì),解（1）,當(dāng)完全耦合，且L1=L2=L0時(shí) 順接 L=4L0 反接 L=0,若

6、兩回路幾何形狀、尺寸及相對(duì)位置不變，周圍無(wú)鐵磁性物質(zhì)。,12-4 磁 場(chǎng) 的 能 量,消耗在R上的焦耳熱,電源克服L所作之功自感磁能,電容器儲(chǔ)能,線圈儲(chǔ)能,消耗在R上的能量：,=,二、磁場(chǎng)的能量與場(chǎng)量的關(guān)系,磁場(chǎng)所儲(chǔ)存的總能量:,磁場(chǎng)的能量密度:,V: 磁場(chǎng)分布(B0)的整個(gè)空間,B=H,例.同軸電纜由半徑為R1的圓柱形導(dǎo)體和半徑為R2薄圓筒組成，筒間充滿磁介質(zhì), 圓柱形導(dǎo)體上的電流均勻分布在橫截面上。 求：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的磁能.,經(jīng)典物理學(xué)的三次偉大綜合：,牛頓力學(xué):把宇宙間一切宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)都用幾個(gè)力學(xué)定律 和守恒定律統(tǒng)一起來(lái)。,能量守恒定律：揭示了力、熱、電、磁、光和化學(xué)等各種自然 現(xiàn)象的

7、統(tǒng)一性，找到了本質(zhì)上的不變量。,電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論：建立了一組聯(lián)系電荷、電流和電場(chǎng)、磁場(chǎng) 的基本方程，并明確論述了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的同一性。,論法拉第的力線:以精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述法拉第的力線概念， 用自己的方法統(tǒng)一了已知的電學(xué)和磁學(xué)定律。,論物理的力線：創(chuàng)造性地提出了“感生電場(chǎng)”和“位移電流”假說(shuō)，并預(yù)言了電磁波的存在。,把原來(lái)相互獨(dú)立的電、磁和光學(xué)三個(gè)物理學(xué)部分結(jié)合 起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)的第三次重大綜合。 19世紀(jì)自然科學(xué)最輝煌的成就之一,12-5電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),類比：,通過(guò)某一截面的電流強(qiáng)度即為此截面上電流密度的通量。,二、電磁理論的回顧,問(wèn)題：在電流非穩(wěn)恒狀態(tài)下 安培環(huán)路定律是否正確？

8、,四、矛盾的化解位移電流假說(shuō),(1),平行板電容器,(2),2.位移電流假說(shuō),(1)定義,（2）假說(shuō)：變化的電場(chǎng)（位移電流）在它周圍也產(chǎn)生磁場(chǎng)，這磁場(chǎng)和等值的傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)完全相等。,（3）意義：,全電流定律,傳導(dǎo)電流與位移電流的比較,Ic,Id,帶電粒子宏觀定向移動(dòng)形成,變化的電場(chǎng)引起，與電荷宏觀運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),只能在導(dǎo)體中流動(dòng),依賴于 只要空間有變化的電場(chǎng)就有Id,通過(guò)電阻時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng),一般不引起熱效應(yīng),都以相同的規(guī)律激發(fā)磁場(chǎng),解：,五、麥克斯韋電磁場(chǎng)理論（1865年）,兩個(gè)數(shù)據(jù)驚人的吻合，成為光波是電磁波的重要證據(jù)。,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得真空中的光速為:,2.理論的實(shí)驗(yàn)證實(shí),假說(shuō)是進(jìn)行科學(xué)研究的一

9、種方法,它可以先于實(shí)驗(yàn)證明, 起著探索真理的作用。,環(huán)流,3.理論的數(shù)學(xué)表示,場(chǎng)量,麥克斯韋方程組(積分形式),1,3,4,2,方程1是電場(chǎng)的高斯定律，它說(shuō)明電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷的關(guān)系。盡管變化的磁場(chǎng)激發(fā)感生電場(chǎng)，但總的電場(chǎng)和電荷的聯(lián)系總服從這一高斯定律。,方程2是磁通連續(xù)定理，它說(shuō)明，目前的電磁場(chǎng)理論認(rèn)為在自然界中沒(méi)有單一的“磁荷”存在。,方程3是法拉第電磁感應(yīng)定律，它說(shuō)明變化的磁場(chǎng)和電場(chǎng)的聯(lián)系。,方程4是一般形式下的安培環(huán)路定理，它說(shuō)明磁場(chǎng)和電流（即運(yùn)動(dòng)的電荷）以及變化的電場(chǎng)的關(guān)系。,物理學(xué)是一門極度崇尚美感的科學(xué),兩者的結(jié)合則是美不勝收,它的美也無(wú)非是兩點(diǎn),其一曰簡(jiǎn)潔，,其二曰對(duì)稱。,如果存在磁單極,有無(wú)磁單極子？,但是，直到目前為止尚未在