復旦趙海濱大學物理B電磁感應電磁場理論課件

復旦趙海濱大學物理B電磁感應電磁場理論探討電磁感應和電磁場的基本概念及其應用,提高學生對這些重要物理原理的理解。緒論在這個課程的緒論部分,我們將深入探討電磁感應和電磁場的基本概念。從電磁力和電磁場的定義開始,了解它們的基本性質(zhì)和規(guī)律。通過學習靜電場、高斯定律等內(nèi)容,掌握電場的基本特征。最后,我們將著重探討電磁感應現(xiàn)象,理解其中涉及的感生電動勢和自感應等重要概念。電磁力和電磁場概念電磁力電磁力是電荷和磁場之間產(chǎn)生的力,又稱為洛倫茲力。這種力可以引起電荷的運動和磁體的位移。電磁場電磁場是電荷和磁體產(chǎn)生的兩種相互作用的場,包括電場和磁場。它們決定了電磁現(xiàn)象的發(fā)生和演化。電磁理論麥克斯韋提出的電磁理論統(tǒng)一了電磁現(xiàn)象,為理解光的本質(zhì)和能量傳輸提供了理論基礎。電場和電勢的基本概念電場的定義電場是由帶電體產(chǎn)生的一種空間力場。在電場中,任何帶電粒子都會受到電磁力的作用。電場的強度由電場強度矢量E來描述。電勢的定義電勢表示單位正電荷在電場中所受到的電勢能。電勢的大小取決于電場強度和電荷位置。電勢是一個標量場,可用電勢函數(shù)V(x,y,z)來描述。電場強度和電勢的關(guān)系電場強度E與電勢V之間存在著密切的關(guān)系。電場強度E是電勢V在空間的梯度,即E=-?V。因此通過測量電勢的分布就可以確定電場的分布。靜電場的性質(zhì)和性質(zhì)1線性疊加性靜電場滿足線性疊加原理,任意多個電荷產(chǎn)生的靜電場可以通過矢量求和得到。2無源性靜電場中沒有能量源,電場能量只能在物體間轉(zhuǎn)換,不能產(chǎn)生或消耗電場能量。3連續(xù)性靜電場在空間中連續(xù)分布,沒有間斷點。電場強度和電勢在連續(xù)介質(zhì)中是連續(xù)函數(shù)。4對稱性靜電場在對稱物體表面呈現(xiàn)對稱分布,對稱物體產(chǎn)生的靜電場也是對稱的。電通量$100單位電通量的單位為Weber(Wb)$10定義電通量是電場中的電場線從一個閉合曲面穿出的總數(shù)2性質(zhì)電通量大小與穿越的曲面積、曲面與電場線的夾角有關(guān)高斯定律定義高斯定律表示任意封閉曲面上的電通量等于該曲面內(nèi)所包含的凈電荷量。是電磁場理論的基本定律之一。應用高斯定律在計算均勻分布電荷的電場強度和電勢方面有廣泛應用。它還用于分析靜電場中的電荷分布問題。推廣高斯定律可以推廣到磁場中,即任意曲面上的磁通量等于該曲面內(nèi)所穿過的凈磁通量。這是磁場理論的基本定律。意義高斯定律為電磁場理論的發(fā)展奠定了重要基礎,是理解電磁場現(xiàn)象的核心概念之一。靜電場邊值問題1邊界條件確定靜電場分布需要滿足的條件2蘭普朗方程描述靜電場邊值問題的微分方程3解決方法利用數(shù)學方法求解蘭普朗方程靜電場邊值問題是指確定靜電場分布時需要滿足的一組條件,主要包括邊界條件和蘭普朗方程。通過數(shù)學方法求解蘭普朗方程,可以得到靜電場的分布情況。這對于理解和分析靜電場的性質(zhì)和應用具有重要意義。電位能和電勢電位能電荷在電場中具有電位能。電位能等于電荷乘以電勢，體現(xiàn)了電荷在電場中的勢能。電勢電勢是電場中某點的單位電荷所具有的電位能。電勢決定了電荷在電場中的勢能大小。電勢線電勢線是電勢等值面與坐標面的交線。電勢線垂直于電場線,表示電勢的變化情況。電場強度和電勢的關(guān)系電場強度E和電勢V之間存在著密切的數(shù)學關(guān)系。電場強度是電荷在電場中受到的力的大小,而電勢是電場中位置的標量勢能。通過梯度運算,可以推導出E和V之間的關(guān)系為E=-?V/?r。這樣不僅可以根據(jù)已知的電勢分布計算出電場強度,反過來也可以根據(jù)電場強度確定電勢分布。這種電場和電勢之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系在許多電磁學問題中都有重要應用。電容和電容器電容的定義電容是一種能儲存電荷和電能的被動元件。它由兩個導體之間相對靜止的電荷組成。電容器的構(gòu)成電容器由兩個帶電導體組成,中間夾有絕緣介質(zhì)。當給予電壓時,導體之間產(chǎn)生電場。電容的作用電容器可以在電路中起濾波、旁路、耦合等作用,是電子電路中重要的無源元件。電容與電量的關(guān)系電容量C存儲的電荷量Q電容量越大，可以儲存的電荷量也越多。電荷量與電壓成正比，電容量越大儲存的電荷量也越多。電容器內(nèi)部是由兩個導體板構(gòu)成的，通過施加電壓可以在兩個導體板上儲存電荷。電容量決定了電容器能夠儲存的最大電荷量。電介質(zhì)極化1介質(zhì)分子極化當外部電場作用于介質(zhì)時,分子內(nèi)的正負電荷會發(fā)生微小位移,形成偶極矩,這個過程稱為介質(zhì)極化。2極化電荷密度極化產(chǎn)生的偶極矩在整個介質(zhì)中分布形成極化電荷密度,這些電荷會產(chǎn)生額外的電場。3電感率和極化率介質(zhì)的電感率和極化率反映了它在外部電場作用下的極化能力,是描述介質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)。4介質(zhì)中的電場外部電場和極化電場的疊加就是介質(zhì)中的真實電場,需要通過邊值問題求解。介質(zhì)中的電場極化效應當外加電場作用于介質(zhì)時，會引起介質(zhì)中電荷的移動和重新排列，產(chǎn)生極化電荷。極性分子許多介質(zhì)如水和玻璃中存在極性分子，它們會在外加電場作用下排列形成電偶極矩。電場強度變化介質(zhì)的極化作用會改變電場的分布和強度，減小外加電場在介質(zhì)內(nèi)的值。靜電場邊值問題確定邊界條件根據(jù)物理問題的具體情況,確定靜電場的邊界條件,如電勢或電場強度的分布情況。應用數(shù)學方法運用泊松方程或拉普拉斯方程,結(jié)合邊界條件求解靜電場分布。分析解的特點根據(jù)求得的靜電場分布,分析電場強度、電勢等特點,并與物理問題對應。磁場的基本概念磁場線磁場可以通過磁場線來可視化表示。磁場線從磁體的N極流向S極,表明磁場的方向和強度。磁感應強度磁感應強度(B)是描述磁場強度的物理量,它的大小取決于磁場的源和觀察點的位置。磁通量磁通量(Φ)是通過一個面積的磁場線的總數(shù),表示磁場在該區(qū)域的總量。磁感應強度和磁通量磁感應強度B是描述磁場的一個重要物理量。它表示單位面積內(nèi)通過的磁通量。磁通量Φ是通過某一定面積的磁通量,是另一個重要的量。磁感應強度和磁通量可以相互轉(zhuǎn)換,決定了磁場的強弱。了解它們的關(guān)系對于電磁感應現(xiàn)象的分析和理解很關(guān)鍵。安培環(huán)路定律定義安培環(huán)路定律表述了電流產(chǎn)生的磁場與圍繞電流流過的任意閉合曲線(環(huán)路)上的磁感應強度之間的關(guān)系。推廣該定律不僅適用于直流電磁場,也適用于交流電磁場。它表明磁場源于電流,并給出了計算磁場的方法。應用安培環(huán)路定律在電磁學中有廣泛應用,如電動機、電磁鐵、變壓器等電磁裝置的設計與分析中都需要應用該定律。磁場的性質(zhì)和定律磁極磁場存在的兩個基本特征是有南北兩極,且相互吸引。同極相斥,異極相吸。磁感應強度磁感應強度描述磁場的強弱,是磁場的矢量量。用磁感應強度線表示。磁通量磁通量是穿過一個面積的磁感應強度的量。通過面積計算磁通量。磁場邊值問題1確定邊界條件需要確定磁場在邊界面的表現(xiàn)，如磁通量密度和磁場強度的值。2求解磁場分布根據(jù)邊界條件和磁場方程組求解磁場在各點的分布情況。3分析磁場特性分析磁場的性質(zhì),如磁通量、磁勢等。解決磁場邊值問題的關(guān)鍵在于合理地確定邊界條件,并利用數(shù)學方法計算出磁場在各點的分布情況。這對于理解和分析電磁系統(tǒng)的工作原理非常重要。電磁感應現(xiàn)象電磁感應的定義電磁感應是一種將磁場和電場相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。當一個導體在變化的磁場中運動時,就會在導體中產(chǎn)生感生電動勢,這就是電磁感應現(xiàn)象。電磁感應的原理電磁感應現(xiàn)象是由于變化的磁通量引起的,變化的磁通量會在導體中產(chǎn)生感生電動勢,這就是法拉第電磁感應定律的基本原理。電磁感應的應用電磁感應現(xiàn)象在變壓器、發(fā)電機、電動機等電力設備中廣泛應用,是電磁能量轉(zhuǎn)換的基礎。法拉第電磁感應定律磁通量變化引起電動勢法拉第發(fā)現(xiàn),當磁通量在導體中發(fā)生變化時,就會在導體中產(chǎn)生感應電動勢。這就是電磁感應的根本原理。感應電流的方向感應電流的方向由楞次定律決定,與引起感應電動勢的磁場變化的方向相反。感應電動勢的大小感應電動勢的大小與磁通量變化率成正比,這就是法拉第電磁感應定律的數(shù)學公式。感生電動勢和感生電流感生電動勢感生電動勢是由電磁感應產(chǎn)生的電壓。當電磁場變化時,會在導體中誘導出感生電動勢,從而產(chǎn)生感生電流。這是法拉第電磁感應定律的基礎。感生電流感生電流是由感生電動勢在導體中產(chǎn)生的電流。它的大小和方向取決于感生電動勢的大小和方向。感生電流可以廣泛應用于電機、發(fā)電機和變壓器等電磁裝置中。感生電動勢的表達式感生電動勢的定義當磁通量隨時間變化時,被感應線圈中所產(chǎn)生的電動勢稱為感生電動勢。感生電動勢的表達式感生電動勢的大小等于磁通量變化率的負值,即ε=-dΦ/dt。感生電動勢的方向感生電動勢的方向由楞次定律決定,與磁通量變化的方向相反。渦旋電場1電磁感應產(chǎn)生渦旋電場根據(jù)法拉第電磁感應定律,變化的磁通量會在導體中誘導產(chǎn)生渦旋電場,驅(qū)動電流的流動。2渦旋電場的特點渦旋電場是閉合的,電場強度沿閉合路徑呈圓周方向變化,與磁通量變化的方向垂直。3渦旋電場的應用渦旋電場的產(chǎn)生是電磁感應的基礎,在變壓器、電機、發(fā)電機等電磁裝置中都有廣泛應用。自感應和互感應自感應當電流在電路中變化時,會在同一電路中產(chǎn)生感應電動勢。這種感應電動勢稱為自感應?；ジ袘旊娏髟谝粋€電路中變化時,會在另一個電路中產(chǎn)生感應電動勢。這種感應電動勢稱為互感應。感應系數(shù)自感應和互感應都與電路的感應系數(shù)有關(guān),感應系數(shù)反映了電路的磁性特性。感生電動勢的性質(zhì)時間變化感生電動勢是由時變磁通量引起的,隨時間而不斷變化。其大小和方向取決于磁通量的變化率。方向感生電動勢的方向由朗茲定律決定,與磁通量變化的方向相反。這是為了產(chǎn)生反對磁通量變化的感應電流。積分關(guān)系感生電動勢的大小等于磁通量變化率的負值。從而可以通過對感生電動勢積分得到磁通量的變化。變壓器的工作原理電磁感應變壓器依據(jù)電磁感應的原理工作。當交流電流通過初級繞組時,會產(chǎn)生變化的磁場,根據(jù)法拉第電磁感應定律,在次級繞組中會感應出電動勢。能量轉(zhuǎn)換變壓器可以實現(xiàn)電壓和電流的互相轉(zhuǎn)換,從而達到改變電能傳輸功率的目的。通過調(diào)整初次級繞組匝數(shù)比,可以改變電壓和電流的比例關(guān)系。隔離作用變壓器的初次級繞組是完全隔離的,可以實現(xiàn)電路的隔離,提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。電磁能量和電磁場的能量30M瓦特電磁能量密度每立方米可達30兆瓦特$100太陽輻射來自太陽的電磁輻射能量每平方米值約100美元3形式電磁能量主要以電場能和磁場能兩種形式存在電磁場中蘊含著巨大的能量。在真空中,電磁能量密度可達每立方米30兆瓦特。來自太陽的電磁輻射能量密度每平方米約100美元。電磁能量主要以電場能和磁場能兩種形式存在,這是推動現(xiàn)代科技發(fā)展的重要能源。真空中電磁能量密度電磁場具有能量密度的特性。在真空中,電磁能量密度由電場強度和磁感應強度決定。根據(jù)電磁理論,這個能量密度等于電場能量密度和磁場能量密度的總和。它反映了電磁場在真空中所蘊含的能量。電磁能量密度的大小是電磁場重要的物理量,在諸多物理現(xiàn)象中扮演著關(guān)鍵角色。電磁能量的轉(zhuǎn)換能量守恒電