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第14章電磁感應及電磁場第5篇電磁學(電磁感應2)1、自感(1)自感現(xiàn)象§14.3自感和互感磁場的能量

當通過一個回路的電流變化時,引起穿過回路包圍面積的全磁通變化,從而在回路自身中產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象。設線圈有N匝,通電流I(2)自感系數(shù)由畢-薩定律與疊加原理可知,通過回路的全磁通—自感系數(shù)

一個線圈的自感系數(shù)L,由線圈的形狀、大小、匝數(shù)、周圍介質(zhì)分布等因素決定。與I無關.單位:H(亨利)(3)自感電動勢

當通過線圈的電流變化時,線圈自身產(chǎn)生的感應電動勢(自感電動勢)負號表示自感電動勢總是要阻礙線圈回路本身電流的變化。自感系數(shù)描述線圈電磁慣性大小的物理量若L不變,,則(4)自感現(xiàn)象的防止和應用1.電器設備中,常利用線圈的自感起穩(wěn)定電流的作用。例如,日光燈的鎮(zhèn)流器就是一個帶有鐵芯的自感線圈。2.電工設備中,常利用自感作用制成自耦變壓器或扼流圈。3.電子技術中,利用自感器和電容器可以組成諧振電路或濾波電路等。4.在具有相當大的自感和通有較大電流的電路中,當切斷電源的瞬間,開關處將發(fā)生強大的火花,產(chǎn)生弧光放電現(xiàn)象,亦稱電弧。

電弧發(fā)生的高溫,可用來冶煉、熔化、焊接和切割熔點高的金屬,溫度可達2000℃以上。但也有破壞開關、引起火災的危險。因此通常都用油開關,即把開關放在絕緣性能良好的油里,以防止發(fā)生電弧。

例1、長為

l的螺線管,橫斷面為

S

,線圈總匝數(shù)為N,管中磁介質(zhì)的磁導率為,求自感系數(shù)。解:為線圈體積設螺線管通電流I管內(nèi)磁場通過線圈的全磁通螺線管的自感系數(shù)提高L的途徑增大V提高n放入值高的介質(zhì)實用求

L

的步驟:①設線圈中通有電流I②求B③求全磁通

④例2、求長為

l

的一段同軸電纜的自感系數(shù)。電纜由兩個“無限長”同軸圓筒組成,設內(nèi)、外圓筒的半徑分別為R1和R2

,其間充滿磁導率為

的磁介質(zhì)。解:設電纜通電流I

,則通過長為l

一段電纜的磁通2、互感

(1)互感現(xiàn)象

當一個載流回路中的電流變化時,在另一回路中產(chǎn)生感生電動勢的現(xiàn)象—互感現(xiàn)象?;ジ须妱觿?2I1I2(2)互感系數(shù)如圖,設回路1中通電流I1,產(chǎn)生穿過回路2的全磁通同理,回路2中通電流I2,產(chǎn)生穿過回路1的全磁通比例系數(shù)稱為兩線圈的互感系數(shù)。它僅與兩回路的形狀,相對位置,周圍磁介質(zhì)有關。與I1、I2無關。M的單位與L

相同。(3)互感電動勢互感系數(shù)

反映兩耦合回路互感的強弱

當回路1中的電流I1變化時,在回路2中引起的互感電動勢為

當回路2中的電流I2變化時,在回路1中引起的互感電動勢為例3、設在一長l=1m,橫斷面積S=10cm2,密繞N1=1000匝線圈的長直螺線管中部,再繞N2=20匝的線圈。(1)計算互感系數(shù);(2)若回路1中電流的變化率為10A/s,求回路2中引起的互感電動勢;(3)M

和L1、

L2的關系。解:(1)設原線圈通電流I1管內(nèi)磁場通過副線圈的全磁通互感系數(shù)(2)回路2中的互感電動勢(3)M與L的關系已知兩線圈的互感系數(shù)因為兩線圈的自感系數(shù)一般情況下:k

稱為“耦合系數(shù)”,由兩線圈的相對位置確定例4、在磁導率為的均勻無限大的磁介質(zhì)中,有一無限長直導線,與一邊長分別為

b

l的矩形線圈在同一平面內(nèi),求它們的互感系數(shù)。解:rdrablI設長直導線通電流I通過線圈的磁通互感系數(shù)例5、自感分別為L1和

L2,互感為M

的兩線圈串聯(lián)。如果兩線圈的磁通互相加強,稱為順接(圖a),如果兩磁通互相削弱,稱為反接(圖b)。計算在這兩種接法下兩線圈的等效總自感。解:順接線圈1中的電動勢:線圈2中的電動勢:(圖a)(圖b)總自感電動勢等效自感系數(shù)反接:順接線圈1中的電動勢:線圈2中的電動勢:總自感電動勢總自感電動勢等效自感系數(shù)順接當兩線圈無漏磁耦合,且L1=L2=L0順接:反接:反接電場有能量,帶電電容器的能量為KLRi電場的能量密度同理磁場也有能量(1)載流線圈的磁能一個含有L的電路,電路中的電流不能突變。3、磁場的能量回路方程:如圖:電鍵K閉合時,電路中的電流I從零開始增加,L產(chǎn)生自感電動勢式中:

是電源在

0~t

內(nèi)作的功是

0~t

內(nèi)消耗在電阻上的焦耳熱是

0~t內(nèi)電源反抗自感電動勢作的功,這個功轉(zhuǎn)化為磁場的能量KLRi所以,一個自感為L的線圈,通電流I

時,具有磁能(2)磁場的能量磁場的能量也可用場量表示,以螺線管為例磁場的能量密度:此式適用于任何磁場。對非均勻磁場,把磁場劃分為無數(shù)體元dV,dV內(nèi)的磁能磁場的總能例6、一長直電纜,由半徑為R1和R2的兩同軸圓筒組成,其間充滿磁導率為

的磁介質(zhì),穩(wěn)恒電流

I

經(jīng)內(nèi)層流進外層流出。試計算長為

l

一段電纜內(nèi)的磁場能量。解:磁場分布磁能密度體元能量法求自感系數(shù)磁場總能電容器儲能自感線圈儲能電場能量密度磁場能量密度作業(yè)p143—149頁選8,10,填18,計26,28

§14.4maxwell電磁場理論穩(wěn)恒磁場的安培環(huán)路定理:非穩(wěn)恒情況下如何?是穿過以為邊界的任意曲面的傳導電流1、位移電流(DisplacementCurrent)S1LS2對S1面對S2面

出現(xiàn)矛盾的原因:非穩(wěn)恒情況下傳導電流不連續(xù)

在非穩(wěn)恒電流的磁場中,H的環(huán)流與閉合回路L為邊界的曲面有關?+++---考慮正在被充電的電容器

作包圍正極板的閉合面,該閉合面由曲面S1和曲面S2構(gòu)成,

取S1和S2的交線

L為積分回路S1LS2+++---注意到:通過S2面的傳導電流雖然為零,但電容器充電時,極板上的電荷q或隨時間變化。它們與導線中的傳導電流I

有關系極板上的電荷q或隨時間變化,使穿過S2面的電位移通量隨時間t

變化,且比較上兩式可知,等式右邊相同。即:通過S1面的傳導電流I與穿過S2面的電位移通量對時間的變化率相等。位移電流密度

Maxwell把

稱為一種電流,叫位移電流。用

表示,它是由變化電場產(chǎn)生的。引入

后,整個電路的電流成為連續(xù)。S1LS2+++---2、位移電流產(chǎn)生的磁場即位移電流也產(chǎn)生磁場圖中以L為邊界的S2面,安培環(huán)路定理應修改為

Id與I的區(qū)別①I是電荷作宏觀定向運動形成的,

是由變化電場激發(fā)的。②I在導體中能產(chǎn)生焦耳熱,而

無此熱效應。③二者僅在產(chǎn)生磁場這方面是等效的。推廣的安培環(huán)路定理如果通過S面的電流有傳導電流I,又有位移電流,則沿S的邊界L的磁場的環(huán)流定理應修改為式中

稱為全電流解:例7、半徑為R

的兩塊圓板構(gòu)成平板電容器。現(xiàn)均勻充電,兩極板間的電場變化率為

。求極板間距軸線r

處的磁感應強度。REr取任一磁力線為積分回路LREr3、麥克斯韋方程組的積分形式(1)靜電場和穩(wěn)恒電流磁場的基本方程靜電場:穩(wěn)恒磁場:電場和磁場相互獨立,互不相干。(2)變化電磁場Maxwell方程組積分形式

對變化電磁場,Maxwell通過引入渦旋電場和位移電流兩概念,把上述方程推廣為電場和磁場不再獨立,上述四個方程稱為麥克斯韋方程組的積分形式。①②③④記住并理解方程中各式的物理意義(1)方程

是電場中的高斯定理;,

電場是靜電場(有源場),若

,電場是渦旋場(無源場)。(2)方程

是法拉第電磁感應

定律;,電場是靜電場(保守場),若

,電場是渦旋場(非保守場)。(3)方程

是磁高斯定理;無論穩(wěn)恒電流的磁場

還是變化電場產(chǎn)生的磁場,其磁力線都是閉合回線。(4)方程

是全電流的安培環(huán)路定理;位移電流和傳導電流一樣也能激發(fā)磁場,若

則對應的磁場為穩(wěn)恒電流的磁場。

現(xiàn)代實驗證實,電磁場具有一切物質(zhì)所具有的基本特性,如能量、質(zhì)量和動量等。4、電磁場的物質(zhì)性靜電場和穩(wěn)恒磁場中,電磁場總是與場源(電荷和電流)聯(lián)系在一起。在變化的電磁場中,電磁場一經(jīng)產(chǎn)生,即使場源消失,它還可以繼續(xù)存在。電磁場的能量密度:根據(jù)相對論的質(zhì)能關系,單位體積電磁場的質(zhì)量為:再根據(jù)相對論的能量動量關系,還可得電磁場的動量密度為:選7,13,填19,計30,28

作業(yè):P143~149頁Maxwell理論預言了電磁波的存在,后被赫茲用實驗證實最基本的電磁波源——振蕩偶極子(電矩隨時間作周期性變化)——討論形成電磁波的重要物理模型?!?4.5電磁波1、電磁波的產(chǎn)生及其波動表達式

變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生、由近及遠,以有限速度在空間傳播的過程稱為電磁波.設振蕩偶極子的電矩作余弦式振動,其電矩可表示為式中為電矩振幅,為振動角頻率。發(fā)射電磁波的天線就可看成是振蕩電偶極子。分子和原子的發(fā)光也可看成振蕩電偶極子的輻射。振蕩偶極子發(fā)射的電磁波是一球面波,在遠離振源的地方可近似視為平面波,其波動表達式為2、電磁波的基本性質(zhì)(1)電磁波是橫波,傳播方向,電場方向和磁場方向三者成右手螺旋關系;電磁波具有下列一些基本性質(zhì):(2)電磁波的波速真空中(3)和同頻率,同相位,振幅關系為真空中電場分量遠比磁場分量大。3、電磁波的能量電磁波的能量密度電磁波的能流密度(單位時間垂直通過傳播方向單位面積的能量)寫成矢量式矢量

叫玻印庭矢量。4、振蕩電路赫茲實驗KABLC電磁振蕩電路周期頻率為便于輻射,使電容器極板成開放狀。(1)頻率必須足夠高

減小電容C:S↓,d↑減小電感L:n↓(2)電路必須開放

赫茲振蕩器發(fā)射的電磁波是間歇性的、減幅高頻振蕩的電磁波。

赫茲還利用振蕩偶極子進行了許多實驗。證明了電磁波和光波一樣,具有反射、折射、干涉和衍射特征,確定了電磁波以光速傳播。赫茲實驗4、電磁波譜電磁波的范圍很廣,按波長(或頻率)順序把電磁波排列成圖表——電磁波譜無線電波可見光紅外線紫外光

射線射線各種無線電波的范圍和用途波段波長(m)頻率(kHz)主要用途長波30000~300010~102電報通訊中波

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