大学物理下变化的电磁场.pptx
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1、Torque +magnetic field CurrentInduced emf一、电磁感应现象一、电磁感应现象11.1 电磁感应定律电磁感应定律二、楞次定律二、楞次定律楞次(楞次(Lenz,Heinrich Friedrich Emil)楞次是俄国物理学家和地球物理学家,生于楞次是俄国物理学家和地球物理学家,生于爱沙尼亚的多尔帕特。早年曾参加地球物理爱沙尼亚的多尔帕特。早年曾参加地球物理观测活动,发现并正确解释了大西洋、太平观测活动,发现并正确解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象,洋、印度洋海水含盐量不同的现象,1845年年倡导组织了俄国地球物理学会。倡导组织了俄国地球物理学会
2、。1836年至年至1865年任圣彼得堡大学教授,兼任海军和师年任圣彼得堡大学教授,兼任海军和师范等院校物理学教授。范等院校物理学教授。楞次主要从事电学的研究。楞次定律对充实、完善电磁感应规律楞次主要从事电学的研究。楞次定律对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。是一大贡献。1842年,楞次还和焦耳各自独立地确定了电流热效年,楞次还和焦耳各自独立地确定了电流热效应的规律,这就是大家熟知的焦耳应的规律,这就是大家熟知的焦耳楞次定律。他还定量地比楞次定律。他还定量地比较了不同金属线的电阻率,确定了电阻率与温度的关系;并建立较了不同金属线的电阻率,确定了电阻率与温度的关系;并建立了电磁铁吸力正比于磁化电流
3、二次方的定律。了电磁铁吸力正比于磁化电流二次方的定律。1、内容:、内容:闭合回路中感应电流的方向总是使得它所激发的闭合回路中感应电流的方向总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。1834年楞次提出一种判断感应电流的方法,再由感应电流年楞次提出一种判断感应电流的方法,再由感应电流来判断感应电动势的方向。来判断感应电动势的方向。演示演示2、应用:判断感应电动势的方向、应用:判断感应电动势的方向directiondirectiondirectiondirection法拉第法拉第(Michael Faraday 17911867)伟大的英国物理学家
4、和化学家。伟大的英国物理学家和化学家。主要从事电学、磁学、磁光学、电化学主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究,并在这些领域取得了一系方面的研究,并在这些领域取得了一系列重大发现。列重大发现。他创造性地提出场的思想,是电磁理论他创造性地提出场的思想,是电磁理论的创始人之一。的创始人之一。1831年发现电磁感应现象,后又相继发年发现电磁感应现象,后又相继发现电解定律,物质的抗磁性和顺磁性,现电解定律,物质的抗磁性和顺磁性,以及光的偏振面在磁场中的旋转。以及光的偏振面在磁场中的旋转。三、三、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律单位单位:1V=1Wb/s 与与 L 反向反向 与与L 同向同向2
5、、电动势方向、电动势方向:1、内容:、内容:当穿过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时,不论这种当穿过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时,不论这种变化是什么原因引起的,回路中都有感应电动势产生,并且变化是什么原因引起的,回路中都有感应电动势产生,并且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。负号表示感应电动势负号表示感应电动势总是反抗磁通的变化总是反抗磁通的变化确定回路绕行方向;规定电动势的方向与回路的绕行方向一致时确定回路绕行方向;规定电动势的方向与回路的绕行方向一致时为正。为正。根据回路的绕行方向,按右手螺旋法则定出回路所包围面积的正根据回路的绕
6、行方向,按右手螺旋法则定出回路所包围面积的正法线方向;在根据回路所包围面积的正法线方向,确定磁通量的法线方向;在根据回路所包围面积的正法线方向,确定磁通量的正负;正负;根据磁通量变化率的正负来确定感应电动势的方向。根据磁通量变化率的正负来确定感应电动势的方向。磁通链数磁通链数:3、讨论:、讨论:若有若有N匝线圈,它们彼此串联,总电动势等于各匝线圈所产生匝线圈,它们彼此串联,总电动势等于各匝线圈所产生的电动势之和。令每匝的磁通量为的电动势之和。令每匝的磁通量为 1、2、3 若每匝磁通量相同若每匝磁通量相同闭合回路中的闭合回路中的感应电流感应电流感应电量感应电量t1时刻磁通量为时刻磁通量为1,t2
7、时刻磁通量为时刻磁通量为2回路中的感应电量只与磁通量的变化有关,而与磁通量回路中的感应电量只与磁通量的变化有关,而与磁通量的变化率无关。的变化率无关。用途:测磁通计。用途:测磁通计。例交流发电机原理:例交流发电机原理:面积为面积为S的线圈有的线圈有N匝,放在均匀磁场匝,放在均匀磁场B中,可绕中,可绕OO轴转动,若线圈转动的角速度为轴转动,若线圈转动的角速度为,求线圈,求线圈中的感应电动势。中的感应电动势。解:设在解:设在t=0时,线圈平面的正法线时,线圈平面的正法线n方向与磁感方向与磁感应强度应强度B的方向平行,那么,在时刻的方向平行,那么,在时刻t,n与与B之间之间的夹角的夹角=t,此时,穿
8、过匝线圈的磁通量为:,此时,穿过匝线圈的磁通量为:由电磁感应定律可得线圈中的感应电动势为:由电磁感应定律可得线圈中的感应电动势为:令令m=NB,则,则 i=msint令令=2f,则,则 i=msin2fti 为时间的正弦函数,为正弦交流电,简称交流电。为时间的正弦函数,为正弦交流电,简称交流电。演示演示11-2 动生电动势动生电动势引起磁通量变化的原因有两种:引起磁通量变化的原因有两种:1磁场不变,回路全部或局部在稳恒磁场中运动磁场不变,回路全部或局部在稳恒磁场中运动动生电动势动生电动势2回路不动,磁场随时间变化回路不动,磁场随时间变化感生电动势感生电动势当上述两种情况同时存在时,则同时存在动
9、生电动势与感生电当上述两种情况同时存在时,则同时存在动生电动势与感生电动势。动势。1、从运动导线切割磁场线导出、从运动导线切割磁场线导出动生电动势公式动生电动势公式等于导线单位时间切割磁场线的条数。等于导线单位时间切割磁场线的条数。x根据楞次定律可以判定电动根据楞次定律可以判定电动势的方向是逆时针方向,电势的方向是逆时针方向,电磁感应定律告诉我们的电动磁感应定律告诉我们的电动势是整个回路的,那么究竟势是整个回路的,那么究竟是怎么样产生的,存在于整是怎么样产生的,存在于整个回路吗?个回路吗?2、从运动电荷在磁场中所受的洛仑兹力导出动生电动、从运动电荷在磁场中所受的洛仑兹力导出动生电动势公式势公式
10、3、动生电动势的计算、动生电动势的计算闭合导体回路闭合导体回路不闭合回路不闭合回路电动势正说明其方向电动势正说明其方向与积分路径同向,反与积分路径同向,反之为负则方向与路径之为负则方向与路径反向反向例例1:一根长度为一根长度为L的铜棒,在磁感应强度为的铜棒,在磁感应强度为B的均匀的磁场中,的均匀的磁场中,以角速度以角速度 在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端O作匀速运动,作匀速运动,试求铜棒两端之间产生的感应电动势的大小。试求铜棒两端之间产生的感应电动势的大小。解法解法2:用法拉第电磁感应定律:用法拉第电磁感应定律解法解法1:按定义式解:按定义式解例例2:法拉第
11、电机,设铜盘的半径为:法拉第电机,设铜盘的半径为 R,角角速度为速度为。求盘上沿半径方向产生的电动势。求盘上沿半径方向产生的电动势。解解:法拉第电机可视为无数铜棒一法拉第电机可视为无数铜棒一端在圆心,另一端在圆周上,即为端在圆心,另一端在圆周上,即为并联,因此其电动势类似于一根铜并联,因此其电动势类似于一根铜棒绕其一端旋转产生的电动势。棒绕其一端旋转产生的电动势。11.3 感生电动势感生电动势 感生电场感生电场由于磁场的变化由于磁场的变化而在回路中产生的感应电动势称为而在回路中产生的感应电动势称为感生电感生电动势动势.1、感生电动势感生电动势2、感生电场、感生电场变化的磁场在其周围空间激发的一
12、种能够产变化的磁场在其周围空间激发的一种能够产生感生电动势的电场,这种电场叫做生感生电动势的电场,这种电场叫做感生电感生电场场,或,或涡旋电场涡旋电场。k麦克斯韦所麦克斯韦所1861年提出的年提出的电源电动势的定义电源电动势的定义3、感生电场与变化磁场的关系、感生电场与变化磁场的关系电源电动势的定义电源电动势的定义电磁感应定律电磁感应定律不论空间是否存在导不论空间是否存在导体,变化的磁场总是体,变化的磁场总是在周围空间激发电场在周围空间激发电场感生电场的电场线是无头无尾的闭合曲线感生电场的电场线是无头无尾的闭合曲线,所以又叫,所以又叫涡旋电场涡旋电场。感生电场和感生电场和磁感应强度的变化磁感应
13、强度的变化连在一起。连在一起。4、说明:、说明:4.感生电场与静电场相比感生电场与静电场相比相同处:相同处:对电荷都有作用力。对电荷都有作用力。若有导体存在都若有导体存在都能形成电流能形成电流不相同处:不相同处:涡旋电场不是由电荷激发,涡旋电场不是由电荷激发,是由变化磁场激发。是由变化磁场激发。涡旋电场电场线不是有头有尾,涡旋电场电场线不是有头有尾,是闭合曲线。是闭合曲线。k5.感生电动势的计算:感生电动势的计算:例例1设空间有磁场存在的圆柱形区域的半径设空间有磁场存在的圆柱形区域的半径为为R=5cm,磁感应强度对时间的变化率为,磁感应强度对时间的变化率为dB/dt=0.2T/s,试计算离开轴
14、线的距离,试计算离开轴线的距离r等于等于2cm、5cm及及10cm处的涡旋电场。处的涡旋电场。解:如图所示,以为半径解:如图所示,以为半径r作一圆形闭合回路作一圆形闭合回路L,根据磁场分布的轴对称性和感生电场的,根据磁场分布的轴对称性和感生电场的电场线呈闭合曲线特点,可知电场线呈闭合曲线特点,可知回路上感生电回路上感生电场的电场线处在垂直于轴线的平面内,它们场的电场线处在垂直于轴线的平面内,它们是以轴为圆心的一系列同心圆,同一同心圆是以轴为圆心的一系列同心圆,同一同心圆上任一点的感生电场的上任一点的感生电场的Ek大小相等,并且方大小相等,并且方向必然与回路相切。向必然与回路相切。于是沿于是沿L
15、取取Ek的线积分,的线积分,有:有:若若rR,则,则 故本题的结果为:故本题的结果为:r=2cm时时 r=5cm时,时,r=10cm时时 若若rR,则,则 应用应用原理:原理:在电磁铁的两磁极间放一个真空室,电磁铁是由在电磁铁的两磁极间放一个真空室,电磁铁是由交流电来激磁的。交流电来激磁的。当磁场发生变化时,两极间任意闭合回路的磁通发生变化,当磁场发生变化时,两极间任意闭合回路的磁通发生变化,激起感生电场,电子在感生电场的作用下被加速,电子在激起感生电场,电子在感生电场的作用下被加速,电子在Lorentz力作用下将在环形室内沿圆周轨道运动。力作用下将在环形室内沿圆周轨道运动。1.电子感应加速器
16、电子感应加速器轨道环内的磁场轨道环内的磁场等于它围绕面积等于它围绕面积内磁场平均值的内磁场平均值的一半。一半。只在第一个只在第一个1/41/4周周期内对电子加速期内对电子加速2、涡电流、涡电流大块导体处在变化磁场中,或者相对大块导体处在变化磁场中,或者相对于磁场运动时,在导体内部也会产生于磁场运动时,在导体内部也会产生感应电流感应电流。这些感应电流在大块导体。这些感应电流在大块导体内的电流流线呈闭合的涡旋状,被称内的电流流线呈闭合的涡旋状,被称为为涡电流涡电流或涡流。或涡流。涡流的热效应涡流的热效应电阻小,电流大,能电阻小,电流大,能够产生大量的热量。够产生大量的热量。应用应用高频感应炉高频感
17、应炉加热加热真空无按触加热真空无按触加热涡流的阻尼作用涡流的阻尼作用当铝片摆动时,穿过运动铝片的磁通量当铝片摆动时,穿过运动铝片的磁通量是变化的,铝片内将产生涡流。根据楞是变化的,铝片内将产生涡流。根据楞次定律感应电流的效果总是反抗引起感次定律感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。因此铝片的摆动会受到应电流的原因。因此铝片的摆动会受到阻滞而停止,这就是阻滞而停止,这就是电磁阻尼电磁阻尼。应用:电磁仪表中使用的阻尼电键应用:电磁仪表中使用的阻尼电键 电气火车中的电磁制动器电气火车中的电磁制动器涡流的防止涡流的防止用相互绝缘叠合起来的、电阻率用相互绝缘叠合起来的、电阻率较高的硅钢片代替整块铁芯
18、,并使较高的硅钢片代替整块铁芯,并使硅钢片平面与磁感应线平行;硅钢片平面与磁感应线平行;选用电阻率较高的材料做铁心。选用电阻率较高的材料做铁心。11.4 自感自感 互感互感闭合回路,电流为闭合回路,电流为I,回路形状不变,没有铁磁质时,根,回路形状不变,没有铁磁质时,根据据Biot-Savart定律,定律,B I,F F=BS,则有,则有 =LI 称称 L为为自感系数自感系数,简称自感或电感。简称自感或电感。单位:亨利、单位:亨利、H当一个线圈中的电流发生变化时,它当一个线圈中的电流发生变化时,它所激发的磁场穿过线圈自身的磁通量所激发的磁场穿过线圈自身的磁通量发生变化,从而在发生变化,从而在线
19、圈本身线圈本身产生感应产生感应电动势,这种现象称为电动势,这种现象称为自感现象自感现象,相,相应的电动势称为应的电动势称为自感电动势自感电动势。1、自感现象自感现象物理意义:物理意义:一个线圈中通有单位电流时,通过线圈自身的磁通一个线圈中通有单位电流时,通过线圈自身的磁通链数,等于该线圈的自感系数。链数,等于该线圈的自感系数。2、自感系数、自感系数若回路由若回路由N匝线圈串联而成匝线圈串联而成磁链磁链11.4.1 自感自感电流强度变化率为一个单位时,在这个线圈中产生的感应电流强度变化率为一个单位时,在这个线圈中产生的感应电动势等于该线圈的自感系数。电动势等于该线圈的自感系数。3、自感电动势、自
20、感电动势自感电动势的方向总是要使它阻碍自感电动势的方向总是要使它阻碍回路本身电流的变化。回路本身电流的变化。自感自感 L有维持原电路状态的能力,有维持原电路状态的能力,L就是这种就是这种能力大小的量度,它表征回路能力大小的量度,它表征回路电磁惯性电磁惯性的大小。的大小。4、电磁惯性、电磁惯性5、自感现象的利弊、自感现象的利弊有利的一方面:有利的一方面:扼流圈镇流器,共振电路,滤波电路扼流圈镇流器,共振电路,滤波电路不利的一方面:不利的一方面:(1)断开大电流电路,会产生强烈的电弧;断开大电流电路,会产生强烈的电弧;(2)大电流可能因自感现象而引起事故。大电流可能因自感现象而引起事故。亨利亨利(
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