高等物理大二物理清華大學(xué)沈克教授課件

§7.4感生電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電場(chǎng)渦電流閉合回路不動(dòng)，而由于穿過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為感生電動(dòng)勢(shì).1、感生電動(dòng)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)的大小、方向與導(dǎo)體的種類(lèi)和性質(zhì)無(wú)關(guān)，僅由變化的磁場(chǎng)本身引起。Maxwell敏銳地感覺(jué)到感生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象預(yù)示著有關(guān)電磁場(chǎng)的新的效應(yīng)。NS麥克斯韋（Maxwell）Faraday的力線思想深深地吸引了MaxwellMaxwell談到:“法拉第實(shí)驗(yàn)所提供的存在力線的美妙的例子，促使我相信力線是某種實(shí)際存在的東西”

在他的專(zhuān)著《電磁通論》中寫(xiě)道：“我主要是抱著給法拉第這些觀念提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的愿望來(lái)承擔(dān)這部著作的寫(xiě)作工作”

敏銳地感覺(jué)到由于磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象預(yù)示著有關(guān)電磁場(chǎng)的新效應(yīng)

他提出：即使不存在導(dǎo)體回路，變化的磁場(chǎng)在其周?chē)臻g也激發(fā)一種電場(chǎng)，它提供一種非靜電力，這電場(chǎng)叫做渦旋電場(chǎng)。渦旋電場(chǎng)、位移電流都是奠定電磁場(chǎng)存在的理論基礎(chǔ)。 從電磁感應(yīng)定律尋求渦旋電場(chǎng)與變化磁場(chǎng)的關(guān)系電源電動(dòng)勢(shì)的定義：2、渦旋電場(chǎng)顯然，渦旋電力線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合線，所以稱(chēng)之為有旋電場(chǎng)。類(lèi)似于磁力線。渦旋電場(chǎng)和靜電場(chǎng)的對(duì)比渦旋電場(chǎng)是非保守場(chǎng)和均對(duì)電荷有力的作用.靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)

靜電場(chǎng)由電荷產(chǎn)生；渦旋電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生.2）導(dǎo)體不動(dòng)，磁場(chǎng)變化感生電動(dòng)勢(shì)引起磁通量變化的原因

1）穩(wěn)恒磁場(chǎng)中的導(dǎo)體運(yùn)動(dòng),或者回路面積變化、取向變化等動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)的區(qū)分是相對(duì)的?。?、渦電流當(dāng)塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，稱(chēng)之為渦電流渦電流應(yīng)用：有益如工業(yè)上利用這種熱效應(yīng)制成的高頻感應(yīng)電爐來(lái)冶煉金屬；有害如電機(jī)和變壓器中為了增強(qiáng)磁場(chǎng)，都采用鐵芯，這樣要消耗大量的能量,等。轉(zhuǎn)速計(jì)電磁驅(qū)動(dòng)高頻感應(yīng)加熱4、渦旋電場(chǎng)與渦電流的應(yīng)用(1)電子感應(yīng)加速器線圈鐵芯真空管電子束（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）橫截面示意圖（c）真空管俯視圖原理：變化的磁場(chǎng)在空間激發(fā)渦旋電場(chǎng)問(wèn)題的提出：1.磁場(chǎng)的方向變化—渦旋電場(chǎng)變化

—電子有時(shí)加速、有時(shí)減速；

2.電子受到的洛侖茲力必須指向圓心但在一個(gè)周期內(nèi)磁場(chǎng)的方向變化。結(jié)果：只有在第一個(gè)T/4內(nèi)電子即被加速、又作圓周運(yùn)動(dòng)直流電激勵(lì)電磁鐵此時(shí)環(huán)行真空室中只有恒定的磁場(chǎng)，電子在室內(nèi)只做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。交流電激勵(lì)電磁鐵當(dāng)激勵(lì)電流增加時(shí)，真空室中既有磁場(chǎng)又有有旋電場(chǎng)，電子在其中得到加速。磁場(chǎng)變化越快，電子的加速越明顯。(2)利用渦電流的阻尼作用—電動(dòng)阻尼器電動(dòng)阻尼器視頻演示：隨著航天事業(yè)的發(fā)展，模擬微重力環(huán)境下的空間懸浮技術(shù)已成為進(jìn)行相關(guān)高科技研究的重要手段。目前的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等，其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。電磁懸浮技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)EML技術(shù)。它的主要原理是利用高頻電磁場(chǎng)在金屬表面產(chǎn)生的渦流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬球的懸浮。(3)空間電磁懸浮技術(shù)簡(jiǎn)介將一個(gè)金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時(shí)，高頻電磁場(chǎng)會(huì)在金屬材料表面產(chǎn)生一高頻渦流，這一高頻渦流與外磁場(chǎng)相互作用，使金屬樣品受到一個(gè)洛淪茲力的作用。在合適的空間配制下，可使洛淪茲力的方向與重力方向相反，通過(guò)改變高頻源的功率使電磁力與重力相等，即可實(shí)現(xiàn)電磁懸浮。一般通過(guò)線圈的交變電流頻率為104—105Hz。（參考文獻(xiàn)：物理，25-9（1996），565—567）磁懸浮列車(chē)SMT磁懸浮列車(chē)試通車(chē)施洛德與朱镕基在車(chē)上日本的磁懸浮列車(chē)aerotrain月球能源引極大關(guān)注氦-3可供人類(lèi)上萬(wàn)年能源需求有中國(guó)“探月計(jì)劃第一人”之稱(chēng)的中科院院士、中國(guó)登月計(jì)劃首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)今天表示，月球上的氦-3可供人類(lèi)上萬(wàn)年能源需求。

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士說(shuō)，月球的能源一直引起地球人類(lèi)極大的關(guān)注，有兩種能源可供地球使用，一種是太陽(yáng)能，月球密度比地球上大得多，沒(méi)有任何建筑物，所以月球上有無(wú)限制的地方鋪設(shè)太陽(yáng)能電磁板。月球的白天有14天，科學(xué)家認(rèn)為月球的太陽(yáng)能傳輸?shù)降厍虿怀蓡?wèn)題，也許最好的途徑是用微波傳輸。另外一個(gè)月球的資源就是可控核聚變的發(fā)電?？煽睾司圩儼l(fā)電是1938年有人提出來(lái)的。在上世紀(jì)五十年代，氫彈實(shí)驗(yàn)成功以后，大家都覺(jué)得完全可以利用這種核反應(yīng)的方式，對(duì)人類(lèi)做出切實(shí)的貢獻(xiàn)。所以，50年以來(lái)，已經(jīng)建了200多臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)該說(shuō)對(duì)可控核聚變?nèi)〉昧酥卮蟮倪M(jìn)展。1998年完成了國(guó)際熱核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在7個(gè)國(guó)家聯(lián)合起來(lái)，包括中國(guó)在內(nèi)，準(zhǔn)備在2020年共建一個(gè)熱核反應(yīng)堆，大約投資100億美元。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士認(rèn)為，假如能建成的話，這將是人類(lèi)一個(gè)巨大的進(jìn)步，必然會(huì)成為全球最終極解決能源問(wèn)題的一個(gè)方式。

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士說(shuō)，對(duì)于地球的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，能源的問(wèn)題完全不值得悲觀。月球上的氦-3能釋放出巨大的能量，產(chǎn)生氦-4。而且氦-3是穩(wěn)定的，沒(méi)有放射性。所以，現(xiàn)在大家公認(rèn)月球上的氦-3將是人類(lèi)社會(huì)長(zhǎng)期穩(wěn)定，安全、清潔、廉價(jià)的可控核聚變的能源原料。假如我們能夠使用這種能源的話，全中國(guó)能源的需求，需要的氦-3總量10噸就夠。所以，俄羅斯地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)說(shuō)，每年只要派4架航天飛機(jī)到月球上運(yùn)回氦-3回來(lái)的話，可以供全世界用一年。因此，月球上的氦-3可供人類(lèi)上萬(wàn)年的需求。例1、一半徑為R的長(zhǎng)直螺線管，dB/dt>0，且為常數(shù)。在其內(nèi)放一導(dǎo)線ab，長(zhǎng)為l，圓心到導(dǎo)線的垂直距離為h.求：1）管內(nèi)外的渦旋電場(chǎng)；

2）ab上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；3）當(dāng)ab=bc=R時(shí)，ac上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。abOc解：（1）如圖，因dB/dt>0，所以渦旋電場(chǎng)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針。規(guī)定：逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎Ｔ诠軆?nèi)取半徑為r的同心環(huán)路，管內(nèi)則有方向沿逆時(shí)針。管外則有：Or（2）如圖，選閉合回路oab

三角形，另解：OabcBhEdxxOabcBd(3)同理例2、一半徑為R的3/4園弧導(dǎo)體，以v在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。在t時(shí)刻，磁場(chǎng)以dB/dt的速率減少，圓弧圓心處于磁場(chǎng)中心。求：此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。vcao解：由于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，由上講結(jié)果方向：ac

由于磁場(chǎng)變化，存在感生電動(dòng)勢(shì)，所以感生電動(dòng)勢(shì)求解I：取如圖oac閉合回路，則有vcao感生電動(dòng)勢(shì)求解II：取如圖oac閉合回路，則有vcao

方向：順時(shí)針。例3、用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)鐵磁質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度N2線圈的總電阻是