磁介质动生电动势PPT学习教案

1、会计学1磁介质动生电动势磁介质动生电动势BBBo介质的相对介质的相对磁导率磁导率顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质类比电介质类比电介质中的电场中的电场传导电流产生传导电流产生与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生0BBr111rrr在介质均匀充在介质均匀充满磁场的情况满磁场的情况下下氧气、空气、铝铜、汞、铅铁、钴、镍r第1页/共62页7-8-2 7-8-2 磁介质的磁化机理磁介质的磁化机理 磁化电流磁化电流pppmmlmsmlp轨道角动量轨道角动量对应的磁矩对应的磁矩自旋角动自旋角动量对应的量对应的磁矩磁矩vmlmppTeI/)/2/(e2eISpml22re22re1. 1. 分子电流分

2、子电流 分子磁矩分子磁矩 磁偶极矩磁偶极矩每个分子等效一个圆电流每个分子等效一个圆电流第2页/共62页mlpvmlp22reefeEferm20mlpvefB讨论加外磁场讨论加外磁场（1 1）、）、mlpB/mfevBfmrmevBeE2rmeE20而rmevB)(000)(00rmevB第3页/共62页mlpvefBmf0)(00rmevB22repm0220repppmmm2002repm反向与mmppmp反向与Bpm第4页/共62页mlpvefB0)(00rmevB22repm0220repppmmm2002repm同向与mmppmp（2 2）、）、mlpB/rmevBeE2rmeE20

3、而mf反向与Bpm称为分子的抗称为分子的抗磁效应磁效应第5页/共62页顺磁质顺磁质无外场时无外场时00mp 00mp0mmpp加外场时加外场时分子磁矩要受到一个力矩分子磁矩要受到一个力矩M的作用，的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。使分子磁矩转向外磁场的方向。MpmB=+B0pmBpppmmm/)(0但但显顺磁质显顺磁质第6页/共62页pm0磁畴磁畴铁磁质铁磁质抗磁质抗磁质无外场时无外场时00mp 00mp加外场时加外场时)(0mmmpppBpm/显抗磁质显抗磁质第7页/共62页7 78 83 3 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化强度磁化强度 MpVvmiilim0单位体积内分子单位体积内分子磁

4、矩矢量和磁矩矢量和无外场时无外场时加外场时加外场时考虑顺磁质考虑顺磁质B0第8页/共62页siB0sjlS圆柱体横截面积圆柱体横截面积nSIpsimiSVpMiminlSSIsnlIsnjs磁化面电流密度（单位长度上的电流）磁化面电流密度（单位长度上的电流）sjn下面讨论磁化强度的路径积分下面讨论磁化强度的路径积分第9页/共62页abcdM0M磁介质外部磁介质外部l dMl dMl dMl dMl dMaddccbbal dMba_abM_abjssIsIl dMnjMs第10页/共62页7-8-4 7-8-4 磁场强度磁场强度H HH H的环路定理的环路定理传导Il dHLHBMoHHMrm

5、1BHor 各向同性各向同性)(0sLIIl dB传导sIl dM传导Il dMBL)(0)(MHBoH介质磁导率磁化率mnjMs相对磁导率r一一. .有介质时的环路定理有介质时的环路定理第11页/共62页 例例 在螺绕环上密绕线圈共在螺绕环上密绕线圈共400匝，匝，环的平均周长是环的平均周长是40cm，当导线内通有电流，当导线内通有电流20A时，利用冲击电流计测得环内磁感应强时，利用冲击电流计测得环内磁感应强度是度是1.0T，计算，计算 (1)磁场强度磁场强度; (2)磁化强度磁化强度; (3)磁化率磁化率; (4)磁化面电流和相对磁导率。磁化面电流和相对磁导率。 第12页/共62页解：解：

6、=HNIl(1)400200.4=2.0104(A/m )=BH0M410-7=1.02.0104=7.76105(A/m )=7.761052.010438.8= jslIs=Ml=3.1105(A )7.761050.4=Is=isN3.1105400=775(A )=39.8+=r1m(2)(3)(4)=HMm第13页/共62页I1R2R12I例：如图，半径为例：如图，半径为 ，磁导率为，磁导率为 的无限长圆柱体的无限长圆柱体通有电流通有电流I I，半径为，半径为 的无限长柱壳通有反向电流的无限长柱壳通有反向电流I I，在它们之间充满磁导率为在它们之间充满磁导率为 的介质，求的介质，求

7、， 的分布的分布121R2RHBIl dHLH22121rRIr212 RIr1Rr rI202Rr 21RrR HB2112 RIrrI220第14页/共62页磁介质不充满磁场的情形，如顺磁质。磁介质内磁介质不充满磁场的情形，如顺磁质。磁介质内BAB00BBB0BBABABB0/ BB二二. .有介质时的磁场高斯定理有介质时的磁场高斯定理00SSdB0SSdB0BBBSSSdBBSdB) (00第15页/共62页 7-8-5第16页/共62页3. 有剩磁，即撤去有剩磁，即撤去H，B=Br 0,有有磁饱和及磁滞现象。磁饱和及磁滞现象。4.1. 磁导率磁导率不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈不

8、是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。B 和和H 不是线性关系。不是线性关系。2. 有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强100-10000倍。倍。铁磁质铁磁质铁、钴、镍、镝等物质铁、钴、镍、镝等物质5.永久磁铁吸引永久磁铁吸引B第17页/共62页磁磁 滞滞 回回 线：线：csr.crB.BHabcdefgosBcH磁滞现象：磁滞现象：H 滞后于滞后于B 的变化的变化BrsB第18页/共62页软磁材料软磁材料 特点：磁导率大，矫顽力小，特点：磁导率大，矫顽力小， 磁滞回线窄

9、。磁滞回线窄。 应用：硅钢片，作变压器的铁应用：硅钢片，作变压器的铁 芯。铁氧体（非金属）芯。铁氧体（非金属） 作高频线圈的磁芯材料。作高频线圈的磁芯材料。矩磁材料：作计算机中的记忆元件。矩磁材料：作计算机中的记忆元件。硬磁材料硬磁材料 特点：剩余磁感应强度大，矫特点：剩余磁感应强度大，矫 顽力大，磁滞回线宽。顽力大，磁滞回线宽。 应用：作永久磁铁，永磁喇叭应用：作永久磁铁，永磁喇叭第19页/共62页测量磁滞回线的实验装置测量磁滞回线的实验装置0510 1520A测量测量H测量测量B 的探头的探头（霍尔元件）（霍尔元件）电阻电阻换换向向开开关关电流表电流表螺绕环螺绕环铁环铁环狭缝狭缝第20页/

10、共62页05 10 1520ANR=2HI从磁强计中从磁强计中可以测得可以测得B 根据电流的测根据电流的测量再由式量再由式可得到可得到H 磁磁 滞滞 回回 线线csr.crB.BHabcdefgosB第21页/共62页pm0磁畴磁畴铁磁质磁化机理铁磁质磁化机理无外场无外场时时有外场时有外场时 铁磁质内部相邻原子的磁铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微小的区域内形成矩会在一个微小的区域内形成方向一致、排列非常整齐的方向一致、排列非常整齐的 “自发磁化区自发磁化区”，称为磁畴。，称为磁畴。 21171010每个磁畴所含分子数：每个磁畴所含分子数： 磁畴大小：磁畴大小：3810m1010第22页/共6

11、2页铁磁质在外磁场中的铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的移动和磁畴内磁矩的转向。的转向。 自发磁化方向自发磁化方向逐渐转向外磁场方逐渐转向外磁场方向（磁畴转向），向（磁畴转向），直到所有磁畴都沿直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排外磁场方向整齐排列时，铁磁质就达列时，铁磁质就达到磁饱和状态。到磁饱和状态。 T KT K 第23页/共62页第第8 8章章 变化的电磁场变化的电磁场第24页/共62页电磁感应现象电磁感应现象vBvNSiGiGBvi)(a)(b)(c)(d8-1 8-1 电磁感应定律电磁感应定律8-1-18-1-1法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定

12、律第25页/共62页 即即 变化变化在闭合回路上产生电流的条件：在闭合回路上产生电流的条件：SB,),(SB或之一变化之一变化只要只要结论：结论： 形成形成电流电流本质是电动势本质是电动势 形成的形成的电流称为电流称为感应电流感应电流第26页/共62页8-1-2 8-1-2 规律规律1. 1. 楞次定律楞次定律- -感应电流的方向感应电流的方向闭合回路中感应电流的方向，总是使它所激发闭合回路中感应电流的方向，总是使它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律楞次定律是能量守恒定律在是能量守恒定律在电磁感应现象上的电磁感应现象上的具体体现。具体

13、体现。vNSiGNS第27页/共62页dtdi2. 2. 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律- -感应电动势的大小感应电动势的大小dtdkiSSdB为以闭合回路为为以闭合回路为周界任意面积的通量周界任意面积的通量法拉第电法拉第电磁感应定磁感应定律律1kdtdiSISI单位下取单位下取dtdi考虑楞次定律则考虑楞次定律则为闭合回路为闭合回路的电动势的电动势第28页/共62页注意上式应用要配以某些约定的注意上式应用要配以某些约定的 或考虑楞次定律的或考虑楞次定律的 iddt 约定约定首先任定回路的绕行方向首先任定回路的绕行方向当当磁力线方向与绕行方向成右螺时规定磁磁力线方向与绕行方向成右螺时规定

14、磁通量为正通量为正规定电动势方向与绕行方向一致时为正规定电动势方向与绕行方向一致时为正第29页/共62页根据这一符号系统可以由楞次定律确定根据这一符号系统可以由楞次定律确定电动势电动势的方向。的方向。dS 右旋符号系统：右旋符号系统： 绕行方向绕行方向L和法线方向和法线方向 n构成一个右旋符号系统。构成一个右旋符号系统。的方向：和的方向：和L构成右旋构成右旋dS作为作为dS正方向。正方向。的符号：的符号：和和L方向绕行一致为方向绕行一致为“”。的符号：的符号：Ln090 为为“”。dS夹角小于夹角小于B与与SSdB 符号的确定符号的确定第30页/共62页 分四种情况讨论：分四种情况讨论： 01

15、.，i 0 由定律得由定律得与与故故iL方向相反。方向相反。 02.， 由定律得由定律得dd t 0dd t 0LniLni绕绕行行方方向向绕绕行行方方向向故故与 L方向相同。方向相同。ii0dd t0，0dd t0，03. （同学自证）（同学自证）4. （同学自证）（同学自证）第31页/共62页若有若有N 匝导线匝导线i=dd tN=ddt=N磁通链数磁通链数感应电流感应电流:d=Ndt()感应电量感应电量:dtIdqiRIiidtdR1dtIqitt21dtdtdRtt121Rd21R/ )(21R/i=ddt第32页/共62页讨论讨论：快速转动：快速转动：I，t但但。两种情况两种情况I

16、t图面积相等，即图面积相等，即q相等。相等。慢速转动：慢速转动：t但但。BtIt0t12快快慢慢q只和只和 有关，和电流变化无关，有关，和电流变化无关，即和磁通量变化快慢无关。即和磁通量变化快慢无关。I，dtIqitt21R/dtdRIi1dtdi第33页/共62页例：螺线管共例：螺线管共N=50N=50匝，截面积匝，截面积S=0.01mS=0.01m2 2, ,处在均匀磁场处在均匀磁场中。若中。若B B在在0.5s0.5s内由内由0.25T0.25T线性降为线性降为0 0，求，求感应感应电动势电动势的大小和方向。的大小和方向。NNB dSSNBSdtdidtdBNS5 . 025. 0001

17、. 050025. 0VGB第34页/共62页例：直导线通交流电例：直导线通交流电 置于磁导率为置于磁导率为 的的介质中介质中求：与其共面的求：与其共面的N匝矩形回路中的感应电动势匝矩形回路中的感应电动势解：设当解：设当I I 0 0时，电流方向如图时，电流方向如图LINNBdSSladtIIsin0已知已知其中其中 I0 和和 是大于零的常数是大于零的常数设回路设回路L方向如图方向如图xo建坐标系如图建坐标系如图在任意坐标处取一面元在任意坐标处取一面元sdsd第35页/共62页NN B dSSldxxINadd2N Ildad2lnNI ltdad02sinlndadtlNIrlncos20

18、0SBdsNdtdi交变的交变的电动势电动势LIladxosd第36页/共62页dadtlNIrilncos200t 2t普遍普遍0i ii00),回路的回路的AB边长为边长为 l,以速度以速度v 向右运动，向右运动，设设t = 0时，时，AB边在边在x =0处，求：任意时刻回处，求：任意时刻回路中感应电动势的大小和方向。路中感应电动势的大小和方向。ABxnveB第40页/共62页解：解：Btk=已知：已知：3=ABl=.cos=t lk.tvd=dt2=costlkv=tlkvABxnveB第41页/共62页vBxy0MN第42页/共62页duudS= utg du=dB dS.= uktc

19、osutgdu.du=ktgu2tcos13=ktgx3tcosdt=dtsinx3=13ktg()3x2dxdttcos3=1ktgv3t3tsinktgv3t2tcos动生动生感生感生=B dS.=x0duktgu2tcosBxy0第43页/共62页=13ktgv3t3tsinktgv3t2tcos动生动生感生感生=动动Bl vktgv3t2tcos=e=感感te=13ktgv3t3tsin第44页/共62页 把感应电动势分为两种基本形式把感应电动势分为两种基本形式 动生电动势动生电动势 感生电动势感生电动势 下面下面 从场的角度研究电磁感应从场的角度研究电磁感应电磁感应对应的场是电场电磁

20、感应对应的场是电场 它可它可使静止电荷运动使静止电荷运动 研究的问题是：研究的问题是： 动生电动势的非静电场？动生电动势的非静电场？ 感生电动势的非静电场？性质？感生电动势的非静电场？性质？第45页/共62页8-2 8-2 动生电动势动生电动势1.1.中学：单位时间内切割磁力线的条数中学：单位时间内切割磁力线的条数vlabiBlv由楞次定律定方向由楞次定律定方向abiB均匀磁均匀磁场场导线导线 ab在磁场中运动在磁场中运动电动势怎么计算？电动势怎么计算？8-2-1 8-2-1 典型装置典型装置第46页/共62页2. 2. 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律建坐标如图建坐标如图 Blx tid

21、dtBldxdt BlvabivlabB均匀磁场均匀磁场0 x设回路设回路L方向如图方向如图L负号说明电动势方负号说明电动势方向与所设方向相反向与所设方向相反x第47页/共62页8-2-2 8-2-2 动生电动势产生的原因动生电动势产生的原因非静电力洛仑兹力非静电力洛仑兹力BvefmBveBveEKvBibavBdlvBlvBdlbaiiab00ldEi非kEE非dlabv+B+fmef第48页/共62页讨论讨论02,idl dBv ibavBdlldBvdi0idl dBv 0/idBv不切割磁力线abv+B+dlvBiab为正向路径方向说明沿il d第49页/共62页iddt 8-2-3

22、8-2-3 动生电动势的计算动生电动势的计算方法一、方法一、iiddvBdli ldBvab方法二、方法二、注意：动生电动势大小计算的同时要判断注意：动生电动势大小计算的同时要判断电动势的符号（极性）！电动势的符号（极性）！计算所得为回路电动势，计算所得为回路电动势，电动势符号如何判断？电动势符号如何判断？电动势符号判断与电动势符号判断与方法一有何区别？方法一有何区别？第50页/共62页求：动生电动势。求：动生电动势。例例 有一半圆形金属导线在匀强磁场中有一半圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁力线运动。已知：作切割磁力线运动。已知： v, B, R.l dBvdacb方法一：方法一：dtddtd

23、acbdaabdc作作acbdacbd回路，回回路，回路绕行方向如图路绕行方向如图00bdaacb0adbacbdlvBdlvBbaacbvBR2vBv+Rl dBvRacbadb2, ba电动势极性电动势极性第51页/共62页vBd+vdlB+RdvBdli方法二：方法二：cosdlvBRdvB cosRdvBabcos22/0vBR2, ba电动势极性电动势极性ab第52页/共62页解一：解一：例例 一金属杆在匀强磁场中转动，已知：一金属杆在匀强磁场中转动，已知： B， ，L，求：动生电动势。求：动生电动势。O+vB+abBS221LBdtdoabodtdBL221221BLboaboao

24、abooa221BL, ao0第53页/共62页dllvBOL+vB+解二：解二：l dBvdoadlvBdllBdllBLoa0221BL0, ao第54页/共62页=vI02lnaba+()avvBbI例例 一直导线一直导线CD在一无限长直电流磁场中作切割在一无限长直电流磁场中作切割磁力线运动。求：动生电动势。磁力线运动。求：动生电动势。sin900cos1800dllI02v=dldl=vlI02lld=abvI02a+ldldl电动势方向？电动势方向？l dBvdi)(解二：略解二：略解一：解一：第55页/共62页vBcosvBdl Bldlsin2iiLdBldlsin2022sin

25、2LB0解：建坐标如图解：建坐标如图dl在坐标在坐标 处取处取l该段导线运动速度垂直纸面向内该段导线运动速度垂直纸面向内运动半径为运动半径为r 2l dBvdi)(00方向从方向从 a babzBllldrcosrBdl例例 在空间均匀的磁场中在空间均匀的磁场中 BBzabL设设导线导线ab绕绕Z轴以轴以 匀速旋转匀速旋转导线导线ab与与Z轴夹角为轴夹角为 求：导线求：导线ab中的电动势中的电动势cossinBdll第56页/共62页vB)2/cos(vBdldRB22sindRBi28/02sin8)2(2RB解一：建坐标如图解一：建坐标如图d l在坐标在坐标 处取处取该段导线运动速度垂直纸面向内该段导线运动速度