法拉第电磁感应定律自感和涡流.ppt

第九章 电磁感应,人,教,版,理,物,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,法拉第电磁感应定律自感和涡流,一、感应电动势,1,感应电动势：,在,中产生的电动势产生感应电动势的那部分导体就相当于,导体的电阻相当于,电动势是标量，规定电动势的方向就是电源内部,的方向,电磁感应现象,电源,电源内阻,电流,2,感应电流与感应电动势的关系：,遵守,定律，,二、感应电动势的大小,法拉第电磁感应定律,1.,法拉第电磁感应定律,(1),定律内容：电路中感应电动势的,，跟穿过这一电路的,成正比,(2),公式：,(3),公式说明：,a.,上式适用于回路中磁通量发生变化的情形，回路不一定闭合,闭合电路欧姆,大小,磁通量的变化率,b.,感应电动势,E,的大小与磁通量的,成正比，而不是与磁通量的,成正比，更不是与磁通量成正比要注意 与,和,三个量的物理意义各不相同，且无大小上的必然关系,d.,由,E,算出的是时间,t,内的平均感应电动势，一般并,初态与末态电动势的算术平均值,变化率,变化量,不等于,2.,导体切割磁感线产生的感应电动势,(1),一般情况：运动速度,v,和磁感线方向夹角为,，则,E,Bl,v,sin,.,(2),对公式的理解,a.,公式只适用于一部分导体在匀强磁场中做切割磁感线运动时产生的感应电动势的计算，其中,L,是导体切割磁感线的有效长度，,是矢量,B,和,v,方向间的夹角，且,L,与磁感线保持垂直,(,实际应用中一般只涉及此种情况,),b.,若,90,，即,B,v,时，公式可简化为,E,BL,v,，此时，感应电动势最大；若,0,，即,B,v,时，导体在磁场中运动不切割磁感线，,E,0.,c.,若导体是弯曲的，则,L,应是导体的有效切割长度，即是导体两端点在,B,、,v,所决定平面的垂线上的投影长度,d.,公式,E,BL,v,中，若,v,为一段时间内的平均速度，则,E,亦为这段时间内感应电动势的平均值；若,v,为瞬时速度，则,E,亦为该时刻感应电动势的瞬时值,3.,反电动势：,反电动势对电路中的电流起,作用,削弱,三、互感和自感,1.,互感现象：,两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的,会在另一个线圈中产生,的现象互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，变压器就是利用,制成的,2.,自感现象：,由于,发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象,磁场,感应电动势,互感现象,导体本身的电流,3.,自感电动势,(1),定义：在自感现象中产生的电动势，叫做,(2),作用：总是阻碍导体中,(3),自感电动势的方向：自感电动势总是阻碍导体中,即当电流增大时，自感电动势阻碍电流增大；当电流减小时，自感电动势阻碍电流减小,自感电动势,原电流的变化,原电流的变化,自感电动势的大小与,成正比，其中,L,为,4.,自感系数,自感系数也叫自感或电感,自感系数,L,由线圈本身的特性决定,L,的大小与线圈的长度、线圈的横截面积等因素有关，线圈越长，单位长度上的匝数越多，横截面积越大，自感系数,L,越大另外，若线圈中有铁芯，自感系数,L,会大很多,电流的变化率,自感系数,5.,自感现象与互感现象的区别和联系,区别：,(1),互感现象发生在靠近的,线圈间，而自感现象发生在,线圈导体内部；,(2),通过互感可以把能量在线圈间传递，而自感现象中，能量只能在一个线圈中储存或释放,联系：二者都是电磁感应现象,两个,一个,四、涡流,1.,涡流,(1),定义：当线圈的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生,，电流在导体内形成闭合回路，很像水的漩涡，把它叫做涡电流，简称涡流,(2),特点：整块金属的电阻很小，涡流往往很大,2.,电磁阻尼与电磁驱动,(1),电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到,，安培力的方向总是,导体的运动，这种现象称为,感应电流,安培力,阻碍,电磁阻尼,(2),电磁驱动：磁场相对于导体转动，在导体中会产生,，感应电流使导体受到安培力，安培力使导体运动，这种作用称为,注意：,电磁阻尼与电磁驱动也是一种特殊的电磁感应现象，原理上都可以用楞次定律解释,.,感应电流,电磁驱动,(2),适用范围不同：,E,N,/,t,具有普遍性，,BL,v,sin,只适用于导体切割磁感线的情况前者计算的是在,t,时间内的平均电动势，只有当,t,0,或磁通量的变化率是恒定不变时，它算出的才是瞬时电动势；,E,Bl,v,sin,中的,v,若为瞬时速度，则算出的就是瞬时电动势，若,v,为平均速度，算出的就是平均电动势,2,电势高低的判断方法,(1),要明确磁场的方向及导体运动的方向；,(2),据右手定则判断出感应电流的方向即感应电动势的方向；,(3),把切割磁感线导体作为电源，在电源内部电流从低电势点,(,负极,),流向高电势点,(,正极,),3.,怎样求解导体棒转动切割磁感线的电动势,三、通电自感和断电自感的比较,电路图,器材要求,A,1,、,A,2,同规格，,R,R,L,，,L,较大,L,很大,(,有铁芯,),现象,在,S,闭合瞬间，,A,2,立即亮起来，,A,1,灯逐渐变亮，最终一样亮,在开关,S,断开时，,A,灯渐渐熄灭,通电自感,断电自感,原因,由于开关闭合时，流过电感线圈的电流迅速增大，使线圈产生自感电动势，阻碍了电流的增大，使流过,A,1,灯的电流比流过,A,2,灯的电流增加得慢,断开开关,S,时，流过线圈,L,的电流减小，产生自感电动势，阻碍了电流的减小，使电流继续存在一段时间，在,S,断开后，通过,L,的电流反向通过灯,A,，,A,灯不会立即熄灭，若,R,L,R,A,，原来的,I,L,I,A,，则,A,灯熄前要闪亮一下，若,R,L,R,A,，原来的电流,I,L,I,A,，则,A,灯逐渐熄灭，不再闪亮一下,能量转化情况,电能转化为磁场能,磁场能转化为电能,思考：,断电实验中，线圈中的电流有可能比原来的大吗？,不可能因为电磁感应现象中，自感电动势也只能阻碍线圈中电流减小，而不能,“,阻止,”,，只是减慢了电流减小的速度，但最终结果还是要减小，所以断电实验中，线圈中的电流不可能比原来的大,四、涡流的产生机理,处在磁场中的导体，只要磁场变化就会引起导体中的磁通量的变化，导体中就有感应电动势，这一电动势在导体内部构成回路，导体内就有感应电流因为这种电流像水中的旋涡，所以称为涡流在大块的金属内部，由于金属块的电阻很小，所以涡电流很大，能够产生很大的热量严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡电流的大小有区别，所以一些微弱的涡电流就被我们忽视了,五、电磁阻尼和电磁驱动,电磁阻尼是导体与磁场相对运动时，感应电流使导体受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，利用安培力阻碍导体与磁场间的相对运动就是电磁阻尼磁电式仪表的指针能够很快停下，就是利用了电磁阻尼,“,磁悬浮列车利用涡流减速,”,其实也是一种电磁阻尼,电磁驱动是导体与磁场相对运动时，感应电流使导体受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，应该知道安培力阻碍磁场与导体的相对运动的方式是多种多样的当磁场以某种方式运动时,(,例如磁场转动,),，导体中的安培力阻碍导体与磁场间的相对运动而使导体跟着磁场动起来,(,跟着转动,),，这就是电磁驱动,六、自感现象的应用,日光灯,1.,启动器：,利用氖管的辉光放电，起自动把电路接通和断开的作用,2.,镇流器：,在日光灯点燃时，利用自感现象，产生瞬时高压，在日光灯正常发光时，利用自感现象，起降压限流作用,3.,日光灯的工作原理图如下,图中,A,是镇流器，其作用是在灯开始点燃时起产生瞬时高压的作用；在日光灯正常发光时起降压限流作用,B,是日光灯管，它的内壁涂有一层荧光粉，使其发出的光为柔和的白光；,C,是启动器，它是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装上两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的,U,形触片组成,.,例,1,如图甲所示，在周期性变化的匀强磁场区域内有一垂直于磁场、半径为,r,1 m,、电阻为,R,3.14,的金属单匝圆型线圈，若规定逆时针方向的电流为正方向，,B,垂直于纸面向里为正，当磁场按图乙所示的规律变化时，线圈中产生的感应电流图象正确 的是,(,),答案,B,说明,线圈面积不变时，磁场均匀变化会产生一恒定电流，还应注意电流方向随时间变化,练习,1,：,两个用相同材料制成的粗细相同的圆环如图所示连接，其半径之比,r,A,r,B,2,1.,先单独将,A,环置于均匀变化的磁场中，测得,P,、,Q,两点间电压为,U,1,，再单独将,B,环置于同一均匀变化的磁场中，测得,P,、,Q,两点间的电压为,U,2,，则,U,1,U,2,_(,连接处电阻不计,),答案,2,1,例,2,如图所示，水平放置的平行金属导轨，相距,L,0.50 m,，左端接一电阻,R,0.20,，磁感应强度,B,0.40 T,，方向垂直于导轨平面的匀强磁场，导体棒,ab,垂直放在导轨上，并能无摩擦地沿导轨滑动，导轨和导体棒的电阻均可忽略不计，当,ab,以,v,4.0 m/s,的速度水平向右匀速滑动时，求：,(,结果保留两位有效数字,),(1),ab,棒中感应电动势的大小，并指出,a,、,b,哪端电势高；,(2),回路中感应电流的大小；,(3),维持,ab,棒做匀速运动的水平外力,F,的大小,解析,(1),根据法拉第电磁感应定律，,ab,棒中的感应电动势为,E,BL,v,4.0 V,0.80 V,根据右手定则可判定感应电流的方向为由,b,a,，所以,a,端电势高,说明,把产生电动势部分当做电源，电源正极就是电势较高的点,ab,棒受力平衡是因为外力与安培力等大反向，可用二力平衡求出外力,.,例,3,如图所示，边长为,a,，总电阻为,R,的闭合正方形单匝线框，放在磁感应强度为,B,的匀强磁场中，磁感线与线框平面垂直当线框由图示位置以,的角速度转过,180,角的过程中,(1),磁通量变化量为多大？,(2),线框中的平均电动势多大？平均电流多大？,(3),流过线框导线横截面的电荷量是多少？,(4),线框中产生多少热量？,说明,流过横截面的电荷量可以用平均电流求解，但线框发热量不能用平均电流，而要用有效值求解,.,例,4,如图所示，圆形线圈中串联了一个平行板电容器，线圈内有磁场，磁通量,随时间按正弦规律变化以垂直纸面向里的磁场为正，从,t,0,时刻开始，在平行板电容器中点释放一个电子，若电子在运动中不会碰到板，关于电子在一个周期内的加速度的判断正确的是,(,),A,第二个,T,/4,内，加速度方向向上，大小越来越小,B,第二个,T,/4,内，加速度方向向上，大小越来越大,C,第三个,T,/4,内，加速度方向向下，大小越来越大,D,第三个,T,/4,内，加速度方向向下，大小越来越小,解析,第二个,1/4,周期内，磁感应强度向里减小,(,磁通量减小,),，若有感应电流，其磁场方向应向里，感应电流方向为顺时针方向，则电容器下极板带正电，电子的加速度方向向下，由于,B,的变化越来越快，感应电动势越来越大，板间的电场强度越来越大，电子的加速度也越来越大，故,A,、,B,均错,第三个,1/4,周期内，磁通量向外增加，感应电流的磁场仍向里，电子的加速度方向向下，由于,变化越来越慢，则电动势越来越小，加速度也越来越小，故,C,错，,D,对,答案,D,说明,判断电磁感应中电势高低时，需把产生电动势部分当做一个电源，电路当做电源内部电路处理,.,例,5,如图所示，,L,为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡正常发光，当断开开关,S,的瞬间会有,(,),A,灯,A,立即熄灭,B,灯,A,慢慢熄灭,C,灯,A,突然闪亮一下再慢慢熄灭,D,灯,A,突然闪亮一下再突然熄灭,解析,本题中，当开关,S,断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈,L,与灯,A,在,S,断开后不能形成闭合回路，故在开关断开后通过灯,A,的电流为零，灯立即熄灭,答案,A,说明,有自感电动势并不一定有电流，因为必须要闭合回路才能使电流形成通路,.,练习,2,：,如图所示是测定自感系数很大的线圈,L,直流电阻的电路，,L,两端并联一个电压表，用来测自感线圈的直流电压，在测量完毕后，将电路拆开时应先,(,),A.,断开,S,1,B.,断开,S,2,C.,拆除电流表,D.,拆除电阻,R,解析,若先断开,S,1,，会在电压表两端产生一较大自感电动势，有可能烧毁电压表，先拆除电流表及电阻,R,会发生同样的情况，故应选,B.,答案,B,说明有自感电动势并不一定有电流，因为必须要闭合回路才能使电流形成通路.,导体切割磁感线产生的感应电动势,断开S1B.,自感现象：由于发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象,小段时间内，正确反映流过L1的,启动器：利用氖管的辉光放电，起自动把电路接通和断开的作用,0 m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：(结果保留两位有效数字),由E 算出的是时间t内的平均感应电动势，一般并 初态与末态电动势的算术平均值,EBlvsin中的v若为瞬时速度，则算出的就是瞬时电动势，若v为平均速度，算出的就是平均电动势,解析此题需要判断通电后灯泡两端电压变化情况和断电后灯泡两端电压变化情况，在t0时刻闭合开关S，由于电感L产生自感电动势，阻碍电流通过，电源输出电流较小路端电压较高，经过一段时间电路稳定，电源输出电流较大路端电压较低在tt1时刻断开S，电感L产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡D中有反向电流通过，所以表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图象中正确的是B.,在S闭合瞬间，A2立即亮起来，A1灯逐渐变亮，最终一样亮,(1)定义：当线圈的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生，电流在导体内形成闭合回路，很像水的漩涡，把它叫做涡电流，简称涡流,例,6,(2010,北京理综,),在如图所示的电路中，两个相同的小灯泡,L,1,和,L,2,分别串联一个带铁芯的电感线圈,L,和一个滑动变阻器,R,.,闭合开关,S,后，调整,R,，使,L,1,和,L,2,发光的亮度一样，此时流过两个灯泡的电流均为,I,.,然后，断开,S,.,若,t,时刻再闭合,S,，则在,t,前后的一,小段时间内，正确反映流过,L,1,的,电流,I,1,、流过,L,2,的电流,I,2,随时间,t,变化的图象是,(,),解析,与滑动变阻器,R,串联的小灯泡,L,2,，闭合,S,后直接变亮，电流变化图象应为平行横轴的直线,(,如图,A,中图线所示,),，选项,C,、,D,错误与带铁芯的电感线圈串联的小灯泡,L,1,，闭合,S,后，自感线圈要产生自感电动势阻碍电流增大，通过小灯泡,L,1,的电流逐渐变大，所以选项,B,正确,答案,B,例,7,(2010,江苏物理,),如图所示的电路中，电源的电动势为,E,，内阻为,r,，电感,L,的电阻不计，电阻,R,的阻值大于灯泡,D,的阻值，在,t,0,时刻闭合开关,S,，经过一段时间后，在,t,t,1,时刻断开,S,，下列表示,A,、,B,两点间电压,U,AB,随时间,t,变化的图象,中，正确的是,(,),小段时间内，正确反映流过L1的,图中A是镇流器，其作用是在灯开始点燃时起产生瞬时高压的作用；,区别：(1)互感现象发生在靠近的 线圈间，而自感现象发生在线圈导体内部；,B第二个T/4内，加速度方向向上，大小越来越大,说明有自感电动势并不一定有电流，因为必须要闭合回路才能使电流形成通路.,2感应电流与感应电动势的关系：遵守定律，,图中A是镇流器，其作用是在灯开始点燃时起产生瞬时高压的作用；,感应电动势E的大小与磁通量的 成正比，而不是与磁通量的成正比，更不是与磁通量成正比要注意 与和三个量的物理意义各不相同，且无大小上的必然关系,解析本题中，当开关S断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈L与灯A在S断开后不能形成闭合回路，故在开关断开后通过灯A的电流为零，灯立即熄灭,0 m/s的速度水平向右匀速滑动时，求：(结果保留两位有效数字),A1、A2同规格，RRL，L较大,在开关S断开时，A灯渐渐熄灭,(1)定义：在自感现象中产生的电动势，叫做,2感应电流与感应电动势的关系：遵守定律，,解析第二个1/4周期内，磁感应强度向里减小(磁通量减小)，若有感应电流，其磁场方向应向里，感应电流方向为顺时针方向，则电容器下极板带正电，电子的加速度方向向下，由于B的变化越来越快，感应电动势越来越大，板间的电场强度越来越大，电子的加速度也越来越大，故A、B均错,三、通电自感和断电自感的比较,注意：电磁阻尼与电磁驱动也是一种特殊的电磁感应现象，原理上都可以用楞次定律解释.,解析,此题需要判断通电后灯泡两端电压变化情况和断电后灯泡两端电压变化情况，在,t,0,时刻闭合开关,S,，由于电感,L,产生自感电动势，阻碍电流通过，电源输出电流较小路端电压较高，经过一段时间电路稳定，电源输出电流较大路端电压较低在,t,t,1,时刻断开,S,，电感,L,产生自感电动势，与灯泡构成闭合回路，灯泡,D,中有反向电流通过，所以表示,A,、,B,两点间电压,U,AB,随时间,t,变化的图象中正确的是,B.,答案,B,练习,3,：,如图所示是利用高频交流电焊接自行车零件的原理示意图，其中外圈,A,是通高频交变电流的线圈，,B,是自行车零件，,a,是待焊接口，焊接时接口两端接触在一起当,A,中通有交变电流时，,B,中会产生感应电流，使得接口处金属熔化焊接起来,(1),试分析说明，焊接的快慢与交变电流的频率有什么关系,(2),试分析说明，为什么焊接过程中，接口,a,处被熔化而零件的其他部分并不很热？,解析,(1),A,中交变电流的频率越高，,B,中磁通量的变化率越大，产生的感应电动势越大，感应电流,I,越大，所以电流热功率,P,I,2,R,也越大，焊接得越快,(2),B,中各处电流大小相等，但接口,a,处电阻大，电流热功率大，而其他部分电阻小，电流热功率小，所以接口,a,处已被熔化而零件的其他部分并不很热,.,谢谢观看,谢谢观看,