大学物理学 第一卷 经典物理基础 第6版 课件 6 变化的电磁场

CollegePhysics

大学物理第五节

位移电流

第四节

感生电动势

涡旋电场第二节

电路中的电磁感应

互感与自感

第三节

动生电动势第一节

电磁感应定律第六章

变化的电磁场第六节

麦克斯韦电磁场方程组本章核心内容CollegePhysics

大学物理1.电磁感应现象、描述、规律应用。2.动生电动势和感生电动势的机理与计算。3.位移电流概念的提出、实质与应用。4.电磁场性质的数学归纳。第一节

电磁感应定律日常生活中有很多年轻人喜欢带着一个耳塞边走边听音乐。在通常情况下没什么问题，如果在雷电天气人的耳膜可能被打破，受重伤,为什么？电磁感应现象第一节

电磁感应定律一、电磁感应现象1.线圈不动，磁场变化2.磁场不变，线圈运动第一节

电磁感应定律二、法拉第电磁感应定律

数学表达式“”表示感应电动势阻碍磁通量的变化国际单位制

通过回路所围面积的磁通量

发生变化时，回路中产生的感应电动势

的大小与磁通量对时间的变化率成正比

第一节

电磁感应定律用法拉第电磁感应定律判断电动势的方向规定回路

L的绕向，并用右手螺旋法则规定其所包围面积的法线方向当

与

夹角小于

时，

；反之

由

，计算感应电动势当

时，表明

与回路

L规定的方向相同；反之，

与回路

L规定方向相反L第一节

电磁感应定律闭合回路中的感应电流N匝线圈中的总感应电动势

磁通链感应电流与磁通链随时间变化率有关第一节

电磁感应定律感应电流的磁通量感应电量只与回路中磁通链的变化量有关感应电量t

时间内，通过闭合回路的感应电量第一节

电磁感应定律日常生活中有很多年轻人喜欢带着一个耳塞边走边听音乐。在通常情况下没什么问题，如果在雷电天气人的耳膜可能被打破，受重伤,为什么？闪电产生雷电流激发瞬态电磁场产生感应电动势超过人体安全电压第一节

电磁感应定律三三、

楞次定律“效果”阻碍“原因”感应电流的磁通量原磁通量的变化物理意义：磁铁无论靠近或远离线圈，均受到线圈中感应电流激发磁场的阻力，故移动永磁体需外力克服这种阻力做功，其转换为线圈中的电磁能排斥力吸引力

第一节

电磁感应定律四、法拉第电磁感应定律应用例1:

无限长载流直导线电流

I=5.0A，矩形线圈共1×103匝，宽

a=10cm、长

l=20cm，以

v=2m·s-1速度向右平动，求

d=30cm时线圈中的感应电动势。

解：对于非匀强磁场用元分析法计算磁通量

dS的元磁通量第一节

电磁感应定律

通过矩形线框的磁通量

线圈中的感应电动势=0.03×10-3V第二节

电路中的电磁感应

汽车引擎中火花塞点火需要上万伏高压，而汽车蓄电池能提供的电压仅为12V，火花塞又是如何实现高压点火的呢？

互感现象第二节

电路中的电磁感应

1、互感现象（1）线圈

L1电流变化（2）线圈L2产生感应电动势互感电动势一、互感第二节

电路中的电磁感应

互感系数

同理

可证

2、互感系数与互感电动势互感系数与回路的几何形状、相对位置、匝数及介质等有关，而与线圈电流无关第二节

电路中的电磁感应

3、互感系数的计算假设某一线圈的电流

或求另一线圈的磁通链

计算互感系数，由

第二节

电路中的电磁感应

例2

关键点：设电流其中

已知两线圈半径,求互感圆线圈解：第二节

电路中的电磁感应

汽车引擎中火花塞点火需要上万伏高压，而汽车蓄电池能提供的电压仅为12V，火花塞又是如何实现高压点火的呢？12V的汽车电池感应线圈转换成高压第二节

电路中的电磁感应

二、自感闭合开关

K瞬间，S1立刻正常发光，S2逐渐亮起来断开开关

K，S很快的闪下后再熄灭实验1实验2第二节

电路中的电磁感应

自感现象线圈电流

I

变化穿过线圈磁通

变化线圈中产生感应电动势

自感电动势自感系数L

自感系数L与回路形状，匝数及磁介质有关，与

I无关1、自感系数第二节

电路中的电磁感应

2、自感电动势第二节

电路中的电磁感应

2、自感系数的计算或假设回路电流求穿过回路的磁通链

计算自感系数，由

例3

在长为0.2m、直径为0.5cm的硬纸筒上，需绕多少匝线圈，才能使绕成的螺线管的自感约为2.0×10-3H？第二节

电路中的电磁感应

假设线圈通以电流

I，线圈长度为

l螺线管内磁场大小B=μ0nIn单位长度的匝数线圈的磁通链Ψ=NBS=μ0N2IS/l

L=Ψ/I=μ0N2S/l=μ0πN2r2/lN=4026匝Ψ解：第三节

动生电动势

二、从电源电动势分析动生电动势

研究对象？导线

切割磁感应线

ab上出现电动势

ab相当于电源电子随棒在磁场中运动

所受非静电力是？

对照

一、电源电动势1、电源内电子运动第三节

动生电动势

(1)静电力阻碍电子运动

(2)非静电力推动电子运动非静电场强

特例：电路中电池内电路发生了什么物理过程？2、电源电动势第三节

动生电动势

(1)非静电力作功总功

元功等效表示移动单位电荷做功反映电源性能

移动单位电荷做功

反映电源性能

第三节

动生电动势

一、现象切割磁感应线产生电动势第三节

动生电动势

二、从电源电动势分析动生电动势

研究对象？导线

切割磁感应线

ab上出现电动势

ab相当于电源电子随棒在磁场中运动

所受非静电力是？

对照

第三节

动生电动势

三、动生电动势的计算

例4

求金属棒AB中产生动生电动势向解：端电势高图中正负的判断？

电子棒内由ab运动速度第三节

动生电动势

四、动生电动势产生过程中的能量转换

1、洛伦兹力在产生动生电动势过程中的作用电子随导体棒运动速度

受洛伦兹力受洛伦兹力实际电子受洛伦兹力=-evBu+euBv=0

洛伦兹力不做功

方向与

的方向相反ab棒要保持匀速运动，必受到与

等大、反向的外力！第三节

动生电动势

2、动生电动势与外力做功之间的关系洛伦兹力不做功，能量从何而来？

动生电动势做功功率ab受到安培力大小外力做功功率为动生电动势提供的电能是由外力做功消耗的机械能转换来的第四节

感生电动势

涡旋电场一台100MeV的大型电子感应加速器可将电子加速到0.999986c，它是如何实现的呢？第四节

感生电动势

涡旋电场一、涡旋电场1、感生电动势产生机理磁场变化

感生电动势切割磁感应线动生电动势第四节

感生电动势

涡旋电场2、感生电场的非静电力感生电动势

动生电动势非静电力作功

洛仑兹力感生电场力物理学家麦克斯韦的假设：第四节

感生电动势

涡旋电场变化的磁场产生电场，称感生电场.

感生电场力由电源电动势非静电场强3、感生电场的性质

无旋场

涡旋电场感生电场线闭合静电场感生电场电场线不闭合第四节

感生电动势

涡旋电场非静电力作功

二、感生电动势如何理解变化磁场产生电场感生电场（涡旋电场）

法拉第电磁感应定律

由电源电动势意义？第四节

感生电动势

涡旋电场静电场与感生电场都对电荷有作用两种电场可叠加

意义：变化的磁场可以产生电场电磁场基本方程之一第四节

感生电动势

涡旋电场三、涡旋电场的计算

例5

无限长直载流密绕螺线管（半径R），求管内、外

类比

<0第四节

感生电动势

涡旋电场涡旋电场线:与磁场边缘同心的圆选涡旋电场线作闭合回路管内、外感生电场不同第四节

感生电动势

涡旋电场四、应用拓展---电子感应加速器

只有1/4周期可以用来加速电子且保持电子在圆轨道上运动。第五节

位移电流

变化的磁场激发电场变化的电场激发磁场？第五节

位移电流

一、电流场电解槽中的电流电焊机电极附近电流接地电流大地中的电流同轴电缆中的漏电电流1、非均匀电流场第五节

位移电流

如何定量描述电流分布不均匀的电流场呢？引入电流密度矢量

的大小：单位时间通过该点附近与电荷运动方向垂直的单位面积的电量

方向：正电荷运动方向，

表示该方向单位矢量（电流密度矢量通量）2、电流密度矢量

第五节

位移电流

二、电流连续性方程

恒定电流（恒定电流连续性）

电荷守恒（理想流体连续性）

质量守恒恒定电流的电流线是连续的闭合曲线第五节

位移电流

1、改写安培环路定理L(周界)包围电流三、电容器的充、放电第五节

位移电流

2、非稳恒电流安培环路定理电流不连续对比

非稳恒电路稳恒电路第五节

位移电流

2、稳恒电流的安培环路定理

以L为周界任意曲面

第五节

位移电流

3、沿同一L的环流同一周界,两种环流

问题？（2）环流?面,

环流?面,

（1）第五节

位移电流

4、麦克斯韦的工作(1)据电荷守恒求电流密度矢量通量？

(2)高斯定理求电通量？

含电容器电路

(1)(2)第五节

位移电流

传导电流密度矢量位移电流密度矢量全电流连续

全电流密度矢量

式(1)+式(2)

第五节

位移电流

变化的电场产生磁场意义？5、推广安培环路定理？全电流第五节

位移电流

例6半径为

R

的圆形平板真空电容器，两极板间场强按

振荡。若电容器内的电场在空间均匀分布，且忽略电场边缘效应，求：(1)两极板间的位移电流；(2)两极板内、外的磁感应强度

。解：(1)忽略电场边缘效应，电容器两极板间场强可视为匀强电场第五节

位移电流

r≤Rr>R位移电流具有轴对称性，其所激发的磁场也具有对称性，磁感应线为一系列以极板中心线为中心的同心圆，其方向沿圆切线方向，取圆形回路L。第六节

麦克斯韦电磁场方程组

1、实验定理

2、修改两个环路定理

电场环路定理

磁场环路定理第六节

麦克斯韦电磁场方程组

3、积分