五电磁感应与暂态过程12赵凯华电磁学三版.pptx

第五章第五章 电磁感应与暂态过程电磁感应与暂态过程2 2 2 2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势3 3 3 3 互感和自感互感和自感互感和自感互感和自感4 4 4 4 暂态过程暂态过程暂态过程暂态过程1 1 1 1 电磁感应定律电磁感应定律电磁感应定律电磁感应定律0 0 0 0 引言引言引言引言 磁生电磁生电磁生电磁生电的发现、认识历程。的发现、认识历程。的发现、认识历程。的发现、认识历程。安培，科拉顿的认识及做法：安培，科拉顿的认识及做法：安培，科拉顿的认识及做法：安培，科拉顿的认识及做法：大大大大电电电电流流流流强强强强磁磁磁磁场场场场。一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下，没没没没有有有有观观观观察察察察到到到到磁磁磁磁产产产产生生生生的的的的电电电电，磁磁磁磁场场场场 不够强，采用大电流不够强，采用大电流不够强，采用大电流不够强，采用大电流 强磁场产生电。强磁场产生电。强磁场产生电。强磁场产生电。阿喇果揭开磁生电之谜的机会：阿喇果揭开磁生电之谜的机会：阿喇果揭开磁生电之谜的机会：阿喇果揭开磁生电之谜的机会：1822182218221822年发现电磁阻尼现象，但不能进行深层物理解释。年发现电磁阻尼现象，但不能进行深层物理解释。年发现电磁阻尼现象，但不能进行深层物理解释。年发现电磁阻尼现象，但不能进行深层物理解释。M.FaradayM.FaradayM.FaradayM.Faraday的贡献：的贡献：的贡献：的贡献：英英英英国国国国科科科科学学学学家家家家M.M.M.M.FaradayFaradayFaradayFaraday历历历历经经经经近近近近十十十十年年年年艰艰艰艰辛辛辛辛探探探探索索索索，1831183118311831年年年年8 8 8 8月月月月29292929日日日日实实实实验验验验发发发发现现现现：当当当当导导导导体体体体回回回回路路路路中中中中磁磁磁磁通通通通量量量量 发发发发生生生生变变变变化化化化时时时时，回回回回路路路路中中中中将将将将出出出出现现现现电电电电流。这一现象称为流。这一现象称为流。这一现象称为流。这一现象称为电磁感应现象。电磁感应现象。电磁感应现象。电磁感应现象。0 0 引言引言法拉第(17911867)伟大的物理学家、化学家、19世纪最伟大的实验大师。右图为法拉第用过的螺绕环电流（运动的电）产生磁场，磁场电流（运动的电）产生磁场，磁场电流（运动的电）产生磁场，磁场电流（运动的电）产生磁场，磁场是否是否是否是否产生电场？产生电场？产生电场？产生电场？1820年奥斯特发现电流磁效应1 1 电磁感应定律电磁感应定律一、电磁感应现象一、电磁感应现象一、电磁感应现象一、电磁感应现象作业：作业：P331-333 5,7,91 1、实验安排、实验安排、实验安排、实验安排实验结果：实验结果：实验结果：实验结果：(1)(1)(1)(1)插、拔磁铁时插、拔磁铁时插、拔磁铁时插、拔磁铁时有有有有电流产生；电流产生；电流产生；电流产生；(2)(2)(2)(2)i i 的大小与的大小与的大小与的大小与相对运动速度相对运动速度相对运动速度相对运动速度有关，有关，有关，有关，i i 的的的的方向方向方向方向决定决定决定决定实验结果：实验结果：实验结果：实验结果：仍有电流产生；仍有电流产生；仍有电流产生；仍有电流产生；产生的产生的产生的产生的 i i 与磁场产生的产生源（磁铁、载流线圈）与磁场产生的产生源（磁铁、载流线圈）与磁场产生的产生源（磁铁、载流线圈）与磁场产生的产生源（磁铁、载流线圈）无关无关无关无关两实验两实验共同点共同点：磁极：磁极相对运动相对运动。插入、拔出磁棒。插入、拔出磁棒。插入、拔出磁棒。插入、拔出磁棒。实验一实验一实验一实验一 将磁棒换为载流线圈，将磁棒换为载流线圈，将磁棒换为载流线圈，将磁棒换为载流线圈，插入、拔出线圈插入、拔出线圈插入、拔出线圈插入、拔出线圈 实验二实验二实验二实验二 于是插入还是拔出磁棒。于是插入还是拔出磁棒。于是插入还是拔出磁棒。于是插入还是拔出磁棒。“相对运动相对运动相对运动相对运动”是否为产生是否为产生是否为产生是否为产生 i i 的的的的唯一唯一唯一唯一方式或方式或方式或方式或原因原因原因原因？实验现象为：实验现象为：实验现象为：实验现象为：(1)(1)(1)(1)虽虽虽虽无相对无相对无相对无相对运动，但仍有运动，但仍有运动，但仍有运动，但仍有电磁感应电磁感应电磁感应电磁感应现象发生；现象发生；现象发生；现象发生；(2)(2)(2)(2)相对运动相对运动相对运动相对运动只是产生只是产生只是产生只是产生i i 的一种方式，并非一般性条件。的一种方式，并非一般性条件。的一种方式，并非一般性条件。的一种方式，并非一般性条件。(3)(3)(3)(3)作为作为作为作为一般性结论一般性结论一般性结论一般性结论，回路中产生，回路中产生，回路中产生，回路中产生i i 的条件是什么？的条件是什么？的条件是什么？的条件是什么？（见下页）（见下页）（见下页）（见下页）思考思考 通、断电流通、断电流通、断电流通、断电流线圈线圈线圈线圈。实验三实验三实验三实验三 以上实验和其他实验一致表明：回路中以上实验和其他实验一致表明：回路中以上实验和其他实验一致表明：回路中以上实验和其他实验一致表明：回路中磁通磁通磁通磁通发生发生发生发生变化变化变化变化时，时，时，时，i i 产生产生产生产生 ，其，其，其，其大小大小大小大小决定于决定于决定于决定于 、方向方向方向方向决定决定决定决定于于于于 的增减。的增减。的增减。的增减。法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律i i 存在存在存在存在必定有对应的必定有对应的必定有对应的必定有对应的(推动力推动力推动力推动力)电动势电动势电动势电动势 感应电动势感应电动势感应电动势感应电动势2 2 2 2、结论、结论、结论、结论 其与的其与的其与的其与的 关系关系关系关系分析分析分析分析k k为比例系数，在为比例系数，在为比例系数，在为比例系数，在SISI制中：制中：制中：制中：k=1 k=1，定律表成，定律表成，定律表成，定律表成（1 1 1 1）N N 匝串联，总电动势匝串联，总电动势匝串联，总电动势匝串联，总电动势 为总磁通，或称为磁链。为总磁通，或称为磁链。为总磁通，或称为磁链。为总磁通，或称为磁链。二、法拉第电磁感应定律二、法拉第电磁感应定律1 1 1 1、定律内容、定律内容、定律内容、定律内容2 2 2 2、定律讨论、定律讨论、定律讨论、定律讨论单匝单匝单匝单匝（3 3 3 3）e e e e 的正负的正负的正负的正负 （e e e e的负号说明）的负号说明）的负号说明）的负号说明），并非并非并非并非 。（2 2 2 2）e e e e 的大小的大小的大小的大小均均均均为标量，其为标量，其为标量，其为标量，其正负正负正负正负与与与与规定规定规定规定有关。有关。有关。有关。的的的的正负正负正负正负与曲面与曲面与曲面与曲面法向矢量法向矢量法向矢量法向矢量的选取的选取的选取的选取有关有关有关有关若若若若 e e e e的的的的正、负正、负正、负正、负与回路环绕与回路环绕与回路环绕与回路环绕(电流电流电流电流)的的的的正方向正方向正方向正方向选取有关选取有关选取有关选取有关规定规定规定规定环绕（电流环绕（电流环绕（电流环绕（电流I I）正方向正方向正方向正方向曲面法向矢量曲面法向矢量曲面法向矢量曲面法向矢量n n n n正方向正方向正方向正方向环绕方向（环绕方向（环绕方向（环绕方向（I I）正方向正方向正方向正方向右手系右手系右手系右手系两个正方向之间的关系两个正方向之间的关系两个正方向之间的关系两个正方向之间的关系环绕方向环绕方向环绕方向环绕方向例：例：例：例：通过回路的通过回路的通过回路的通过回路的磁场增加磁场增加磁场增加磁场增加，求感生电动势的方向，求感生电动势的方向，求感生电动势的方向，求感生电动势的方向环绕环绕环绕环绕(I I)正方向正方向正方向正方向环绕环绕环绕环绕(I I)正方向正方向正方向正方向问题：更问题：更简便简便的方向判断方法？的方向判断方法？的的的的正正正正负负负负与与与与曲曲曲曲面面面面法法法法向向向向矢矢矢矢量量量量（或或或或环环环环绕绕绕绕）正正正正方方方方向向向向选选选选取取取取有有有有关关关关，但但但但其其其其实实实实际际际际方方方方向向向向与与与与曲曲曲曲面面面面法法法法向向向向矢矢矢矢量量量量（或或或或环环环环绕绕绕绕）正正正正方方方方向向向向无无无无关关关关选定一个正方向，另一按由右手系给出。选定一个正方向，另一按由右手系给出。选定一个正方向，另一按由右手系给出。选定一个正方向，另一按由右手系给出。条件：条件：条件：条件：两两两两正方向正方向正方向正方向构成构成构成构成右手系右手系右手系右手系阻碍阻碍阻碍阻碍：抵消磁通量变化，抵消磁通量变化，抵消磁通量变化，抵消磁通量变化，阻止相对运动阻止相对运动阻止相对运动阻止相对运动物物物物理理理理意意意意义义义义：是是是是能能能能量量量量守守守守恒恒恒恒定定定定律律律律在在在在电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应现现现现象象象象中中中中的的的的体体体体现现现现，其其其其数数数数学学学学表表表表现现现现是是是是法拉第电磁感应定律中的法拉第电磁感应定律中的法拉第电磁感应定律中的法拉第电磁感应定律中的负号负号负号负号。作用：作用：作用：作用：判定感应电流的判定感应电流的判定感应电流的判定感应电流的方向方向方向方向或感应电流的或感应电流的或感应电流的或感应电流的作用作用作用作用。内容：内容：内容：内容：回路中产生的感应电流的回路中产生的感应电流的回路中产生的感应电流的回路中产生的感应电流的“效果效果效果效果”总是总是总是总是阻碍阻碍阻碍阻碍引起感应电流的引起感应电流的引起感应电流的引起感应电流的“原因原因原因原因”原因：原因：原因：原因：磁通量增加、减少，磁通量增加、减少，磁通量增加、减少，磁通量增加、减少，线圈、磁铁靠近回路等线圈、磁铁靠近回路等线圈、磁铁靠近回路等线圈、磁铁靠近回路等能量如何守恒？结合右上图说明能量如何守恒？结合右上图说明TankTankTankTank概念设计：概念设计：概念设计：概念设计：坦克的电磁防护坦克的电磁防护坦克的电磁防护坦克的电磁防护三、楞次定律三、楞次定律电磁驱动电磁驱动电磁驱动电磁驱动（异步电动机）（异步电动机）（异步电动机）（异步电动机）测速仪测速仪测速仪测速仪均匀均匀均匀均匀磁场磁场磁场磁场 中的平面回路，一边长为中的平面回路，一边长为中的平面回路，一边长为中的平面回路，一边长为l l,可以良好接可以良好接可以良好接可以良好接触地运动，求触地运动，求触地运动，求触地运动，求 。例例例例1111 解解解解 环绕正方向环绕正方向环绕正方向环绕正方向解：解：解：解：电流随时间变化电流随时间变化电流随时间变化电流随时间变化 ，线圈运动。，线圈运动。，线圈运动。，线圈运动。例例例例2 2 2 2：无限长直导线，流稳恒电流，线圈运动形式如图所无限长直导线，流稳恒电流，线圈运动形式如图所无限长直导线，流稳恒电流，线圈运动形式如图所无限长直导线，流稳恒电流，线圈运动形式如图所示示示示在如图所示的在如图所示的在如图所示的在如图所示的正环绕方向正环绕方向正环绕方向正环绕方向下下下下x(t)x(t)a ab b与楞次定律与楞次定律与楞次定律与楞次定律分析得到的结果分析得到的结果分析得到的结果分析得到的结果相同相同相同相同x xa ab b在在在在其其其其内内内内部部部部也也也也会会会会产产产产生生生生感感感感应应应应电电电电流流流流。电电电电流流流流呈呈呈呈涡涡涡涡旋旋旋旋状状状状，称称称称其其其其为为为为涡涡涡涡电电电电流流流流，简称简称简称简称涡流涡流涡流涡流。四、涡流的概念及应用四、涡流的概念及应用1 1 1 1、涡流涡流涡流涡流 (eddy current)(eddy current)大块导体大块导体大块导体大块导体单个金属闭合回路单个金属闭合回路单个金属闭合回路单个金属闭合回路2 2 2 2、涡涡涡涡流流流流的的的的磁磁磁磁场场场场与与与与引引引引起起起起涡涡涡涡流流流流的的的的磁磁磁磁场场场场的的的的相相相相位位位位关关关关系系系系（由楞次定律分析）（由楞次定律分析）（由楞次定律分析）（由楞次定律分析）B(t)B(t)(1)(1)(1)(1)热效应：热效应：热效应：热效应：电流通过导体产生电流通过导体产生电流通过导体产生电流通过导体产生焦耳热焦耳热焦耳热焦耳热。应用：应用：应用：应用：真空熔炼、熔化焊接；电磁灶。真空熔炼、熔化焊接；电磁灶。真空熔炼、熔化焊接；电磁灶。真空熔炼、熔化焊接；电磁灶。3 3、涡流的物理效应涡流的物理效应(2)(2)(2)(2)机械效应：机械效应：机械效应：机械效应：电磁阻尼、电磁驱动。电磁阻尼、电磁驱动。电磁阻尼、电磁驱动。电磁阻尼、电磁驱动。危危危危害害害害：涡涡涡涡流流流流损损损损耗耗耗耗-变变变变压压压压器器器器、电电电电机机机机铁铁铁铁芯芯芯芯，制制制制成成成成片片片片状状状状，缩小缩小缩小缩小涡流范围，涡流范围，涡流范围，涡流范围，减少减少减少减少损耗。损耗。损耗。损耗。导线载流的特性：导线载流的特性：导线载流的特性：导线载流的特性：1 1 1 1、概念、概念、概念、概念-何谓何谓何谓何谓趋肤趋肤趋肤趋肤2 2 2 2、引起趋肤效应的原因、引起趋肤效应的原因、引起趋肤效应的原因、引起趋肤效应的原因:涡流涡流涡流涡流 I I B B i i i i分析：涡流分析：涡流分析：涡流分析：涡流i i与与与与电流电流电流电流I I的方向的方向的方向的方向:导体导体导体导体内部内部内部内部:相反相反相反相反 导体导体导体导体表面表面表面表面附近：附近：附近：附近：相同相同相同相同结结结结果果果果：导导导导体体体体内内内内部部部部电电电电流流流流降降降降低低低低，表表表表面面面面电电电电流流流流 增加增加增加增加-趋肤效应。趋肤效应。趋肤效应。趋肤效应。五、趋肤效应五、趋肤效应当当当当 ，则则则则 即：高频电流，即：高频电流，即：高频电流，即：高频电流，良良良良导体导体导体导体的趋肤效应明显。的趋肤效应明显。的趋肤效应明显。的趋肤效应明显。(a)(a)金属金属表面淬火表面淬火3 3 3 3、电流密度分布、电流密度分布、电流密度分布、电流密度分布d ds s：趋肤深度：趋肤深度：趋肤深度：趋肤深度,电动力学：电动力学：电动力学：电动力学：入射电磁波入射电磁波入射电磁波入射电磁波穿透深度穿透深度穿透深度穿透深度d d d dd ds s 小小小小 j j衰减快衰减快衰减快衰减快 趋肤效应强趋肤效应强趋肤效应强趋肤效应强电流占据的截面积随频率电流占据的截面积随频率电流占据的截面积随频率电流占据的截面积随频率降低降低降低降低，电阻随频率，电阻随频率，电阻随频率，电阻随频率增加增加增加增加。4 4、趋肤效应的影响、趋肤效应的影响、趋肤效应的影响、趋肤效应的影响5 5、技术应用中的趋肤效应、技术应用中的趋肤效应、技术应用中的趋肤效应、技术应用中的趋肤效应 镀金、银或铜（电脑主板）镀金、银或铜（电脑主板）微波灶内腔材料微波灶内腔材料 j j j j0 0 0 0电阻与频率有关电阻与频率有关电阻与频率有关电阻与频率有关万用表测量电阻是直流电阻万用表测量电阻是直流电阻万用表测量电阻是直流电阻万用表测量电阻是直流电阻如何制作与频率无关的电阻？如何制作与频率无关的电阻？如何制作与频率无关的电阻？如何制作与频率无关的电阻？(b)(b)降低高频器件的降低高频器件的表面电阻表面电阻：(c)(c)高频磁屏蔽高频磁屏蔽（电磁屏蔽）（电磁屏蔽）涡流不能进入金属内部，金属腔内无高频磁场（也无高频电场）涡流不能进入金属内部，金属腔内无高频磁场（也无高频电场）若回路由若回路由若回路由若回路由绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体构成，甚至是想象的几何曲线回路，构成，甚至是想象的几何曲线回路，构成，甚至是想象的几何曲线回路，构成，甚至是想象的几何曲线回路，此时此时此时此时 、仍有意义。仍有意义。仍有意义。仍有意义。(1)(1)对对对对导体导体导体导体回路而言，回路而言，回路而言，回路而言，、均有意义均有意义均有意义均有意义 公式成立。公式成立。公式成立。公式成立。引引引引 言言言言1 1 1 1、的的的的局限性局限性局限性局限性之一：回路理解之一：回路理解之一：回路理解之一：回路理解 感应电动势是否感应电动势是否感应电动势是否感应电动势是否存在存在存在存在？电电电电动动动动势势势势起起起起源源源源于于于于非非非非静静静静电电电电作作作作用用用用，假假假假若若若若存存存存在在在在感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势 ，感应电动势的，感应电动势的，感应电动势的，感应电动势的非静电力非静电力非静电力非静电力是是是是何种力何种力何种力何种力？静电学静电学静电学静电学中的中的中的中的电压概念电压概念电压概念电压概念是否仍然是否仍然是否仍然是否仍然成立成立成立成立？2 2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势该条该条该条该条件下，存在的问题为：件下，存在的问题为：件下，存在的问题为：件下，存在的问题为：作业：作业：作业：作业：P342-343:3,5,6P342-343:3,5,6 G G G G G G G G N N N N S S S S 0 0 0 0 圆柱形圆柱形圆柱形圆柱形导电永磁体导电永磁体导电永磁体导电永磁体转动，回路磁通量转动，回路磁通量转动，回路磁通量转动，回路磁通量不变，不变，不变，不变，G G G G中中中中有电流有电流有电流有电流 金金金金属属属属盘盘盘盘转转转转动动动动，回回回回路路路路磁磁磁磁通通通通量量量量不不不不变变变变，G G G G中中中中有电流有电流有电流有电流 (2)(2)(2)(2)描述电磁感应定律的局限性之二描述电磁感应定律的局限性之二描述电磁感应定律的局限性之二描述电磁感应定律的局限性之二解释：解释：解释：解释：-动动动动生生生生电动势电动势电动势电动势感应电动势源于感应电动势源于感应电动势源于感应电动势源于磁通量磁通量磁通量磁通量 变化变化变化变化产生产生产生产生原因分析原因分析原因分析原因分析：电动势由运动的：电动势由运动的：电动势由运动的：电动势由运动的abab段段段段切割磁力线切割磁力线切割磁力线切割磁力线产产产产 生生生生，不动不动不动不动部分为外电路。部分为外电路。部分为外电路。部分为外电路。1 1 1 1、产生动生电动势的、产生动生电动势的、产生动生电动势的、产生动生电动势的非静电力非静电力非静电力非静电力的的的的来源来源来源来源？如图如图如图如图(a)(a)(a)(a)，其中感生电动势可用，其中感生电动势可用，其中感生电动势可用，其中感生电动势可用 求出求出求出求出为：为：为：为：(a)(b)(a)(b)(a)(b)(a)(b)一、动生电动势一、动生电动势一、动生电动势一、动生电动势(1)(1)(1)(1)特例分析特例分析特例分析特例分析由此可求电源的由此可求电源的由此可求电源的由此可求电源的非静电力强度非静电力强度非静电力强度非静电力强度k k：a a b b c c R Racbacb I I I I (2)(2)(2)(2)一般情况下一般情况下一般情况下一般情况下动生电动势的计算公式动生电动势的计算公式动生电动势的计算公式动生电动势的计算公式电子电子电子电子应受应受应受应受非静电力非静电力非静电力非静电力大小、大小、大小、大小、方向方向方向方向 电子电子电子电子所受所受所受所受洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力大小、大小、大小、大小、方向方向方向方向向下向下向下向下A AB BC CD DI I向下向下向下向下洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力是产生动生电动势的是产生动生电动势的是产生动生电动势的是产生动生电动势的非静电力非静电力非静电力非静电力动生电动势动生电动势动生电动势动生电动势例例：如如图图，在在无无限限长长载载流流直直导导线线产产生生的的磁磁场场中中，半半圆圆形形导导线线 定定轴轴转转动动。此此时时：不不均均匀匀 、运运动动部部分分不不是是直直线线，且且各各点点不不等等速速。此此时时处处理理方方法法为为：在在运运动动导导线线上上取取元元段段 ，则则 。总电动势总电动势为为 的方向：由题中条件的方向：由题中条件的方向：由题中条件的方向：由题中条件给定给定给定给定。的方向：沿导体方向的方向：沿导体方向的方向：沿导体方向的方向：沿导体方向,并且与局部非静电力并且与局部非静电力并且与局部非静电力并且与局部非静电力 之间的夹角为锐角。之间的夹角为锐角。之间的夹角为锐角。之间的夹角为锐角。矢量方向讨论矢量方向讨论矢量方向讨论矢量方向讨论此时，积分得到的此时，积分得到的此时，积分得到的此时，积分得到的 为为为为正（正（正（正（）动生动生动生动生电动势仅存在于电动势仅存在于电动势仅存在于电动势仅存在于运动导线运动导线运动导线运动导线段上，此段段上，此段段上，此段段上，此段相当于相当于相当于相当于电源；电源；电源；电源；若一段导线在若一段导线在若一段导线在若一段导线在 中中中中运动运动运动运动但但但但无闭合回路无闭合回路无闭合回路无闭合回路，则可以产生电动势，则可以产生电动势，则可以产生电动势，则可以产生电动势 ，但没有电流；但没有电流；但没有电流；但没有电流；运动导体产生动生电动势的条件：运动导体产生动生电动势的条件：运动导体产生动生电动势的条件：运动导体产生动生电动势的条件：导线导线导线导线切割切割切割切割B B B B线线线线-形象的形象的形象的形象的文字表述文字表述文字表述文字表述 对应的数学表述，物理图像对应的数学表述，物理图像对应的数学表述，物理图像对应的数学表述，物理图像 总结总结总结总结 动生电动势对应的动生电动势对应的动生电动势对应的动生电动势对应的非静电力强度非静电力强度非静电力强度非静电力强度 为为为为单位正电荷单位正电荷单位正电荷单位正电荷的的的的洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力 ；切割切割切割切割B B线线线线不切割不切割不切割不切割B B线线线线洛伦兹力沿导线，可以推动电流洛伦兹力沿导线，可以推动电流洛伦兹力沿导线，可以推动电流洛伦兹力沿导线，可以推动电流洛伦兹力垂直导线，不能推动电流洛伦兹力垂直导线，不能推动电流洛伦兹力垂直导线，不能推动电流洛伦兹力垂直导线，不能推动电流如图所示，载流导线在外磁场中以速度如图所示，载流导线在外磁场中以速度如图所示，载流导线在外磁场中以速度如图所示，载流导线在外磁场中以速度 匀速运动，导线中有匀速运动，导线中有匀速运动，导线中有匀速运动，导线中有电子流动，速度为电子流动，速度为电子流动，速度为电子流动，速度为 。电子的合运动速度为。电子的合运动速度为。电子的合运动速度为。电子的合运动速度为 。对应对应对应对应电子电子电子电子 分运动分运动分运动分运动 的的的的 分分分分洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力总功率总功率总功率总功率2 2 2 2、动生电动势与能量守恒、动生电动势与能量守恒、动生电动势与能量守恒、动生电动势与能量守恒 动生电动势的动生电动势的动生电动势的动生电动势的产生本质产生本质产生本质产生本质：洛仑兹力推动电子：洛仑兹力推动电子：洛仑兹力推动电子：洛仑兹力推动电子做正功做正功做正功做正功洛伦兹力的洛伦兹力的洛伦兹力的洛伦兹力的性质性质性质性质：对带电粒子永远对带电粒子永远对带电粒子永远对带电粒子永远不做功不做功不做功不做功矛矛盾盾分析分析分析分析总洛仑兹力总洛仑兹力总洛仑兹力总洛仑兹力仍然仍然仍然仍然不做功；不做功；不做功；不做功；两个两个两个两个分洛仑兹力功率分洛仑兹力功率分洛仑兹力功率分洛仑兹力功率大小相等大小相等大小相等大小相等，符号相反符号相反符号相反符号相反 洛洛洛洛仑仑仑仑兹兹兹兹力力力力的的的的物物物物理理理理作作作作用用用用：一一一一个个个个罗罗罗罗伦伦伦伦兹兹兹兹分分分分力力力力 抵抵抵抵抗抗抗抗外外外外力力力力做做做做负负负负功功功功 以以以以满满满满足足足足能能能能量量量量守守守守恒恒恒恒，电电电电子子子子受受受受另另另另一一一一罗罗罗罗伦伦伦伦兹兹兹兹分分分分力力力力 的的的的推推推推动动动动，产产产产生生生生电电电电子定向移动，将外部能量子定向移动，将外部能量子定向移动，将外部能量子定向移动，将外部能量转换转换转换转换为电能。为电能。为电能。为电能。物理图像物理图像物理图像物理图像：（1 1 1 1）一个电子所受）一个电子所受）一个电子所受）一个电子所受总总总总罗伦兹力不做功；罗伦兹力不做功；罗伦兹力不做功；罗伦兹力不做功；但但但但分洛仑兹力分洛仑兹力分洛仑兹力分洛仑兹力推动电子，形成电流。推动电子，形成电流。推动电子，形成电流。推动电子，形成电流。（2 2 2 2）电路中电能由外部机械能转换产）电路中电能由外部机械能转换产）电路中电能由外部机械能转换产）电路中电能由外部机械能转换产生，但生，但生，但生，但仅有外力不能产生电能仅有外力不能产生电能仅有外力不能产生电能仅有外力不能产生电能；需需需需要罗伦兹力要罗伦兹力要罗伦兹力要罗伦兹力参与。参与。参与。参与。如何理解：能量守恒如何理解：能量守恒 /转换转换外力外力外力外力：外力功率外力功率外力功率外力功率：导线匀速运动导线匀速运动导线匀速运动导线匀速运动能量能量能量能量转换转换转换转换 每匝每匝每匝每匝 线线线线圈圈圈圈面面面面积积积积S=blS=bl，时时时时为为为为计计计计时时时时零零零零点点点点，导导导导线线线线框框框框匀匀匀匀速速速速旋旋旋旋转转转转时，时，时，时，t t t t 时刻转过角度为时刻转过角度为时刻转过角度为时刻转过角度为 端视图端视图端视图端视图 电动势电动势电动势电动势幅值幅值幅值幅值 实际发电机实际发电机实际发电机实际发电机：电枢多匝，多极，：电枢多匝，多极，：电枢多匝，多极，：电枢多匝，多极，转动磁极转动磁极转动磁极转动磁极问题问题问题问题交流电：交流电：交流电：交流电：3 3 3 3 动生电动式应用动生电动式应用动生电动式应用动生电动式应用-交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机(1)(1)(1)(1)感生电动势感生电动势感生电动势感生电动势回回回回路路路路不不不不变变变变，随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化，对对对对应应应应产产产产生生生生的电动势为感生电动势的电动势为感生电动势的电动势为感生电动势的电动势为感生电动势 S S L L 式中式中式中式中S S是以回路是以回路是以回路是以回路 L L 为边界的为边界的为边界的为边界的任意任意任意任意曲面。（参阅第四章安曲面。（参阅第四章安曲面。（参阅第四章安曲面。（参阅第四章安 培环路定律）培环路定律）培环路定律）培环路定律）二、感生电动势二、感生电动势二、感生电动势二、感生电动势 涡旋电场涡旋电场涡旋电场涡旋电场1 1 1 1、感生电动势和涡旋电场、感生电动势和涡旋电场、感生电动势和涡旋电场、感生电动势和涡旋电场感生电动势遵守的感生电动势遵守的感生电动势遵守的感生电动势遵守的定律定律定律定律：Faradays LawFaradays Law 回路不变，没有动生电动势问题问题问题问题产生产生产生产生动生动生动生动生电动势的非静电力是洛仑兹力！电动势的非静电力是洛仑兹力！电动势的非静电力是洛仑兹力！电动势的非静电力是洛仑兹力！产生产生产生产生感生感生感生感生电动势的非静电力？电动势的非静电力？电动势的非静电力？电动势的非静电力？其他电磁力其他电磁力其他电磁力其他电磁力:(?):(?):(?):(?)库伦力，安培力库伦力，安培力库伦力，安培力库伦力，安培力英国科学家英国科学家Maxwell的假设：的假设：在在系系统统总总结结前前人人成成果果的的基基础础上上，Maxwell依依靠靠直直觉觉思思维维提提出出了了一一个个假假设设：变变化化的的磁磁场场在在其其周周围围空空间间会会激激发发一一种种电电场场，这这种种电电场场称称为为感生电场或涡旋电场。感生电场或涡旋电场。Maxwell进进一一步步指指出出：只只要要空空间间有有随随时时间间变变化化的的磁磁场场，即即可可产产生生涡涡旋旋电电场场，该该电电场场与与空空间间中中有有无无导导体体或或导导体体回回路路无无关关。他他的的这这些些假假说说，从从理理论论上上揭揭示示了了磁磁和和电电的的内内在在联联系系，并并已已被被后后来来的的实实验验结结果果所所证实证实。在在在在产产产产生生生生感感感感生生生生电电电电动动动动势势势势的的的的过过过过程程程程中中中中，空空空空间间间间磁磁磁磁场场场场随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化，而而而而导导导导体体体体并并并并不不不不运运运运动动动动，因因因因此此此此线线线线圈圈圈圈中中中中的的的的电电电电子子子子不不不不受受受受洛洛洛洛仑仑仑仑兹兹兹兹力力力力的的的的作作作作用用用用。产产产产生生生生电电电电动动动动势势势势的的的的非非非非静电力来自何处？静电力来自何处？静电力来自何处？静电力来自何处？实验结果实验结果实验结果实验结果(2)(2)(2)(2)感生电动势的非静电力感生电动势的非静电力感生电动势的非静电力感生电动势的非静电力 感生电动势与构成回路的感生电动势与构成回路的感生电动势与构成回路的感生电动势与构成回路的导体种类导体种类导体种类导体种类和和和和性质性质性质性质无关无关无关无关，由变化磁场决定。，由变化磁场决定。，由变化磁场决定。，由变化磁场决定。分析思考分析思考分析思考分析思考新的挑战新的挑战新的挑战新的挑战:需要需要需要需要突破突破突破突破已有电磁学已有电磁学已有电磁学已有电磁学知识系统知识系统知识系统知识系统，提出，提出，提出，提出新新新新的物理的物理的物理的物理概念概念概念概念（1 1 1 1）涡旋电场涡旋电场涡旋电场涡旋电场不是由电荷激发而是由不是由电荷激发而是由不是由电荷激发而是由不是由电荷激发而是由变化的磁场变化的磁场变化的磁场变化的磁场所激发；所激发；所激发；所激发；（2 2 2 2）描述）描述）描述）描述涡旋电场涡旋电场涡旋电场涡旋电场的的的的电场线电场线电场线电场线是是是是闭合闭合闭合闭合的的的的(实验例证：涡流闭合实验例证：涡流闭合实验例证：涡流闭合实验例证：涡流闭合驱动驱动驱动驱动 力闭合力闭合力闭合力闭合磁场变化产生的电场闭合磁场变化产生的电场闭合磁场变化产生的电场闭合磁场变化产生的电场闭合)，因此环绕，因此环绕，因此环绕，因此环绕B B线的涡旋电场线的涡旋电场线的涡旋电场线的涡旋电场 不是保守力场；不是保守力场；不是保守力场；不是保守力场；与静电场的与静电场的与静电场的与静电场的共同点共同点共同点共同点：涡旋电场的特点涡旋电场的特点涡旋电场的特点涡旋电场的特点对处于场中电荷同样有作用力，驱动载流子对处于场中电荷同样有作用力，驱动载流子对处于场中电荷同样有作用力，驱动载流子对处于场中电荷同样有作用力，驱动载流子形成电流形成电流形成电流形成电流与静电场的与静电场的与静电场的与静电场的不同点不同点不同点不同点：产生感生电动势的产生感生电动势的产生感生电动势的产生感生电动势的非静电力非静电力非静电力非静电力的来源：感生电场的的来源：感生电场的的来源：感生电场的的来源：感生电场的涡旋电场力涡旋电场力涡旋电场力涡旋电场力。闭合导体闭合导体闭合导体闭合导体非静电力非静电力非静电力非静电力 (3)(3)(3)(3)涡旋电场方程涡旋电场方程涡旋电场方程涡旋电场方程 根据法拉第电磁感应定律，有根据法拉第电磁感应定律，有根据法拉第电磁感应定律，有根据法拉第电磁感应定律，有（括号内等式只适于（括号内等式只适于（括号内等式只适于（括号内等式只适于 L L 、S S 不变不变不变不变的情况）的情况）的情况）的情况）（1 1 1 1）如何判断）如何判断）如何判断）如何判断 的方向？的方向？的方向？的方向？问题问题（2 2 2 2）运动的电荷产生磁场，）运动的电荷产生磁场，）运动的电荷产生磁场，）运动的电荷产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的磁场产生电场，变化的磁场产生电场，变化的磁场产生电场，变化变化变化变化的的的的电场电场电场电场产生产生产生产生磁场磁场磁场磁场？（第八章）？（第八章）？（第八章）？（第八章）由电动势与非静电力的关系由电动势与非静电力的关系由电动势与非静电力的关系由电动势与非静电力的关系场方程场方程场方程场方程非稳恒非稳恒非稳恒非稳恒（时变）（时变）（时变）（时变）条件下的条件下的条件下的条件下的电磁学的电磁学的电磁学的电磁学的两个两个两个两个基本基本基本基本方程方程方程方程在在在在一般情况的一般情况的一般情况的一般情况的总电场：静电场总电场：静电场总电场：静电场总电场：静电场和和和和涡旋涡旋涡旋涡旋电场的电场的电场的电场的迭加迭加迭加迭加线闭，场通量为零线闭，场通量为零线闭，场通量为零线闭，场通量为零电荷存在即产电荷存在即产电荷存在即产电荷存在即产生电场生电场生电场生电场变化的磁场（变速运动的变化的磁场（变速运动的变化的磁场（变速运动的变化的磁场（变速运动的电荷）产生电荷）产生电荷）产生电荷）产生 例例例例 无限长直螺线管中通过变化的电流，若无限长直螺线管中通过变化的电流，若无限长直螺线管中通过变化的电流，若无限长直螺线管中通过变化的电流，若 ，求螺线管内外的感生电场。求螺线管内外的感生电场。求螺线管内外的感生电场。求螺线管内外的感生电场。解解解解 （1 1 1 1）如何产生感生电场？（对比无限长直均匀载流如何产生感生电场？（对比无限长直均匀载流如何产生感生电场？（对比无限长直均匀载流如何产生感生电场？（对比无限长直均匀载流线线线线产生磁场产生磁场产生磁场产生磁场）此此此此处处处处涡涡涡涡旋旋旋旋电电电电场场场场特特特特性性性性（参参参参照照照照无无无无限长直均匀限长直均匀限长直均匀限长直均匀载流线的磁场载流线的磁场载流线的磁场载流线的磁场）(1)(1)(1)(1)轴对称分布；轴对称分布；轴对称分布；轴对称分布；(2)(2)(2)(2)没有径向、轴向分量；没有径向、轴向分量；没有径向、轴向分量；没有径向、轴向分量；(3)(3)(3)(3)线构成同心圆线构成同心圆线构成同心圆线构成同心圆 （2 2 2 2）利利利利用用用用 求求求求螺螺螺螺线线线线管管管管内内内内外外外外的的的的涡涡涡涡 旋电场旋电场旋电场旋电场感生电场的方向与感生电场的方向与感生电场的方向与感生电场的方向与 构成构成构成构成右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋关系。关系。关系。关系。O O O OrR R 磁场的方向与磁场的方向与磁场的方向与磁场的方向与 构成构成构成构成右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋关系。关系。关系。关系。讨论讨论讨论讨论 （1 1 1 1）涡旋电场的产生：）涡旋电场的产生：）涡旋电场的产生：）涡旋电场的产生：磁场磁场磁场磁场为零处：为零处：为零处：为零处：涡涡涡涡旋旋旋旋电电电电场场场场可可可可以以以以存存存存在在在在（与与与与电电电电流流流流产产产产生生生生磁场的规律相同）磁场的规律相同）磁场的规律相同）磁场的规律相同）磁场磁场磁场磁场为零处：为零处：为零处：为零处：局部局部局部局部动生电动势为零动生电动势为零动生电动势为零动生电动势为零（2 2 2 2）在在在在感感感感生生生生电电电电场场场场不不不不为为为为零零零零的的的的空空空空间间间间中中中中，即即即即使使使使没没没没有有有有实实实实际际际际的的的的导电回路导电回路导电回路导电回路，仍仍仍仍然然然然有有有有物物物物理理理理值值值值，没没没没有有有有导导导导体体体体回回回回路路路路时不定义时不定义时不定义时不定义 。（3 3 3 3）在处于涡旋电场的）在处于涡旋电场的）在处于涡旋电场的）在处于涡旋电场的导电回路中，存在感生电动导电回路中，存在感生电动导电回路中，存在感生电动导电回路中，存在感生电动 势，回路整体既为电源，又为外电路。势，回路整体既为电源，