电磁感应.PPT

1、第10章 电磁感应与电磁场 Introduction从稳恒场到非稳恒场 (1)稳恒电场与稳恒磁场分别由静电荷与稳恒电流产生。 (2)稳恒场特点是:静电场有源无旋;稳恒磁场无源有旋。 1.稳恒场: 2.非稳恒场: (1)运动的电荷和变化的电流产生非稳恒场。 (2)运动电荷产生的电场仍有源无旋;磁场总是无源有旋。 从非稳恒场到交变场 1.有线回路中: （1）变化的磁场产生涡旋电场，变化的电场产生涡旋磁场（例：变压器）(1)交变电流产生交变磁场，交变磁场在回路产生交变电动势。 (2)本质:电生磁，磁生电的电磁感应现象。 2.无线空间中: （例：电磁波）(2) 特点:相互套链，互相激发，无须回路，空间

2、传播。 关键词： 电磁感应，电动势，涡旋电场，位移电流。 10.1.1 电磁感应现象10.1 电磁感应的基本规律磁场电流可以产生现象磁铁与线圈有相对运动，线圈中产生电流一线圈电流变化，在附近其它线圈中产生电流不论用什么方法，只要使穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，此回路中就会有电流产生。变化磁场在电路中产生感应电动势或感应电流的现象-电磁感应现象. 结论?问题导线切割磁力线，在回路中产生电流10.1.2 电动势基本概念： 电动势从能量角度考虑从电动势来源角度考虑非静电力可来源于：某种机械力、重力、热、光、化学反应、核反应等。水电厂、热电厂、核电厂、风力发电、太阳能电池、干电池等。 例：上述之外

3、洛伦茨力、感生电场。反映非静电力将其他形式的能量转化为电能的能力。如何度量非静电力做功本领？感应电流起因于感生电动势，电动势方向决定电流方向。定义：电源内部抵抗静电力的非静电力把单位正电荷由负极推向正极非静电力之功。G。Fk Fe +非静电性场强非静电力一般情况，电源外部回路可以把非静电场强及电动势看作闭合的。非静电场强沿闭合回路可能是突变的或非突变的。10.1.3 法拉第电磁感应定律法拉第的实验规律感应电动势的大小和通过导体回路的磁通量的变化率成正比.负号是区分感生电动势的方向，是楞次定律的数学表示说明:(1)定义回路正绕向由此确定回路的正法线方向。(2)国际单位制中,磁通量单位取名韦泊(W

4、b),比例系数为1.感生电动势及感生电流方向：电动势方向逆于回路正绕向。电动势方向同于回路正绕向。（1）当磁场方向与回路正向所确定的正法线方向一致，且穿过回路的磁通量值增加时，定义：磁通量变化率正负定义：（2）当磁场方向与回路正向所确定的正法线方向相反，且穿过回路的磁通量值增加时，定义：在无限长直载流导线的磁场中，有一运动的导体线框，导体线框与载流导线共面,解则有: 0 ，d/dt0 ， 0（选顺时针方向为正） 例求 线框中的感应电动势(1)选回路正绕向(如顺时针)(2)求d：思考：两个d的意义有何不同 ？ 10.2.1 动生电动势 在实验室参照系，磁场不随时间变化，而依靠导体运动切 割磁场线

5、产生的电动势-动生电动势。如何计算动生电动势（1）从非静电力的角度考虑当 时达到平衡G fmFeab10. 2 动生电动势与感生电动势G abfmFe（2）由法拉第电磁感应定律求 电动势正值说明电动势方向从一般情况下动生电动势：产生动生电动势的非静电力来源于什么？想象的构建一闭合回路(可选顺时针为回路正向） 思考洛论茨力则有: 0 ，d/dt0 ， 0例在匀强磁场 B 中，长 R 的铜棒绕其一端 O 在垂直于 B 的平面内转动，角速度为 OR求 棒上的电动势解方法一 (动生电动势):dl方向方法二(法拉第电磁感应定律):在 dt 时间内导体棒切割磁场线10.2.3 感生电动势 感生电动势：由于

6、磁场变化在导体回路中产生的电动势麦克斯韦提出: 不论有无导体或导体回路，变化的磁场都将在其周围空间产生有旋的感生电场。非静电力是谁？有旋电场与静电场的比较相同：对处于其中的电荷施加力的作用不同: 电荷产生与变化磁场产生。感生电场变化磁场产生电场线成闭合圈套于磁感应线不依赖导体存在说明BEV（2）感生电场不依赖闭合导线而存在。感生电场是以磁场的变化方向为轴的一系列同心圆。（2）感生电场是闭合的（有旋电场）。 感生电场的特点感生电场的方向可依据法拉第电磁感应定律来确定。即：闭合回路取掉，感应电动势及感应电流消失，感生电场仍然存在。当在感生电场的平面上有闭合导线回路时，回路中有感生电动势与感生电流。

7、（1）感生电场位于垂直与磁场变化方向的一系列平面上。 感生电场与感生电动势的关系（1）感生电动势来源于的感生电场。（2）感生电动势的方向与感生电场的方向一致。法拉第电磁感应定律 感生电动势的计算因为回路固定不动，磁通量的变化仅来自磁场的变化 在变化的磁场中，有旋电场强度对任意闭合路径 L的线积分等于这一闭合路径所包围面积上磁通量的变化率。（3）感生电场与感生电动势有如下数量关系：感生电场强度感生电动势R例解：取逆时针为回路正向一半径为R 的长直螺线管中，内部磁感应强度B，当磁感应强度的变化率 以恒定的速率增加 时，求管内外的感应电场。rEVOrR例解一被限制在半径为 R 的无限长圆柱内的均匀磁

8、场 B ， B 均匀增加，B 的方向如图所示。求 导体棒MN、CD的感生电动势由：方法2：构造闭合回路L10.3 自感和互感10.3.1. 自感现象 自感系数 自感电动势线圈电流变化穿过自身磁通变化在自身线圈中产生电动势当1.自感现象2.自感系数 磁通量的变化来自电流的变化由由与电流 I 成正比一个线圈电流的变化在自身线圈中产生电动势_ 自感电动势L：自感系数若回路大小、形状不变.3.自感电动势(2) L与线圈的形状、大小、匝数、以及周围磁介质的分布 情况有关， 与 I 无关。(1)自感具有使回路电流保持不变的性质 电磁惯性说明 国际单位制中,自感（互感）系数的单位取名亨利(H)。10.3.2

9、.互感现象 互感系数 互感电动势线圈 1 中I变化线圈 2 的变化线圈 2 产生电动势线圈 2 中I变化线圈 1 的变化线圈 1 产生电动势由由 互感现象 一个线圈电流的变化在相临线圈中产生的电动势 互感电动势 互感系数可以证明：若两线圈形状，大小相对位置不变时 互感电动势M21：线圈2对线圈1的 互感系数 。例一无限长导线通有电流 现有一矩形线框与长直导线共面。求 互感系数和互感电动势解穿过线框的磁通量互感系数互感电动势10.4 磁能1.磁能的来源当K接通时实验分析 I当K断开 、接通时结论：通有电流的线圈存在能量 磁能 自感为 L 的线圈中通有电流 I 时所储存的磁能为电流 I 消失时自感

10、电动势所做的功 电流 I 消失过程中，自感电动势所做的功(自感磁能公式)(1) 在通电过程中电源做的功自感电动势反抗电流建立的功电阻消耗的焦耳热(电源的功转化为磁场的能量)(2) 与电容储能比较自感线圈也是一个储能元件，自感系数反映线圈储能的本领讨论2. 磁场能量密度 以无限长直螺线管为例长直螺线管的自感磁场能量密度的普遍计算公式(适用于均匀与非均匀磁场)磁场能量密度与电场能量密度公式的比较在有限区域内dVVw 磁场能量公式与电场能量公式具有完全对称的形式1. 问题的提出对稳恒电流对S1面对S2面矛盾稳恒磁场的安培环路定理已不适用于非稳恒电流的电路2. 位移电流假设非稳恒电路中，在传导电流中断

11、处却引起了其它变化.10.5 麦克斯韦电磁场理论简介10.5.1 位移电流对非稳恒电流电容器充放电时极板上电荷量在变化(例)电容器内电场或电位移矢量在变化电高斯定理知:电位移通量的变化率等价于传导电流强度位移电流实质：电场的变化，电场变等效为一种电流任一时刻，极板上电荷量恰等于极板间电位移通量.极板间的电位移通量:位移电流 3.全电路安培环路定律麦克斯韦提出全电流的概念电流在空间永远是连续不中断的，并且构成闭合回路麦克斯韦将安培环路定理推广所有电路中:(导线上)(中断处)结论: 变化的电场可以产生能够磁场(1) 位移电流具有磁效应与传导电流相同(2) 位移电流与传导电流产生的机理与存在条件不同

12、 位移电流来源于电场的变化 传导电流来源于电荷的运动(3) 位移电流不产生焦耳热，传导电流产生焦耳热说明： 传导电流只存在于导体或半导体中 位移电流可以存在于真空、介质、导体中.10.5.2 麦克斯韦方程组的积分形式 电磁场1. 电场的高斯定理2. 磁场的高斯定理传导电流、位移电流产生的磁场都是无源场静电场有旋场3. 电场的环路定理 法拉第电磁感应定律4. 全电流安培环路定理静电场是保守场，变化磁场可以激发涡旋电场传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场Introductionhistory 从法拉第到麦克斯韦 1831年法拉第发现磁生电的电磁感应现象。 1864年麦克斯韦提出了位移电流概念，说明了电与磁可以相互激发，并建立了电磁理论方