大学物理教程讲义电磁场与麦克斯韦方程组.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/10/3,#,大学物理教程,第1页,第,9,章,电磁场与麦克斯韦方程组,9.1,电磁感应定律,9.2,产生感应电动势机理,9.3,磁场能量,9.4,麦克斯韦方程组,第2页,9.1,电磁感应定律,电磁感应试验现象,9.1.1,1820,年，奥斯特发觉了电流磁效应，从一个侧面揭示了长久以来一直被认为是彼此独立电现象和磁现象之间联络,。,既然电流能够激发磁场，人们自然想到，磁场是否也能产生电流,?,于是，许多科学家开始对这个问题进行探索和研究,。,图,9.1,所表示为法拉第最早成功电磁感应试验,。,第3页,9.1,电磁感应定律,图,9.1,法拉第最早电磁感应试验,第4页,9.1,电磁感应定律,为了深入研究电磁感应现象，法拉第等人还做过许多其它试验，大致能够归结为两类,.,一类是当一个不含电源闭合导体回路与磁铁，如图,9.2(a),所表示，或另一个载流线圈如图,9.2(b),所表示，有相对运动时，闭合回路中出现电流；另一类是当一个线圈中电流发生改变时，在它附近另一个不含电源闭合导体回路中出现电流，如图,9.2(c),所表示,。,第5页,9.1,电磁感应定律,图,9.2,两类电磁感应现象,第6页,9.1,电磁感应定律,楞次定律,9.1.2,在图,9.3(a),中，当磁铁插入线圈时，穿过线圈磁通量增加，按照楞次定律，感应电流激发磁通量应与原磁通量反向；再依据右手螺旋法则，可知感应电流方向如导线中箭头所表示,。,反之，当磁铁拔出时，穿过线圈磁通量在降低，感应电流方向如图,9.3(b),所表示,。,当穿过闭合导线回路所包围面积磁通量发生改变时，在回路中就会产生感应电流，此感应电流方向是使它自己所产生磁场穿过回路面积磁通量，去抵偿引发感应电流磁通量改变,。,第7页,9.1,电磁感应定律,图,9.3,磁通量增减与感应电流方向,第8页,9.1,电磁感应定律,法拉第电磁感应定律,9.1.3,如图,9.4(a),所表示,当正向穿过回路包围面积磁通量增加时，感应电动势为负；当正向穿过回路包围面积磁通量降低时，感应电动势为正，如图,9.4(b),所表示,。,当然，也可选与图,9.4,相反方向作为回路绕行正向，判断感应电动势方法与图,9.4,类似,。,用这种方法确定感应电动势方向方法和用楞次定律确定方向完全一致,。,第9页,9.1,电磁感应定律,图,9.4,感应电动势方向,第10页,9.2,产生感应电动势机理,动生电动势,9.2.1,磁场不变，导体或导体回路在磁场中运动而产生电动势称为动生电动势,.,我们先讨论一个大家熟悉例子,。,如图,9.7,所表示,。,图,9.7,动生电动势,第11页,9.2,产生感应电动势机理,电荷运动破坏了原有平衡，洛伦兹力又使自由电子不停地沿导体由,b,向,a,运动，以维持,a,、,b,两端电势差，使回路中有连续电流,。,由此可见，运动中导体,ab,确实相当于一个电源，如图,9.8,所表示,。,图,9.8,动生电动势原理图,第12页,9.2,产生感应电动势机理,在上一章中，我们已经知道洛伦兹力总是与电荷运动方向垂直，不对运动电荷做功,。,那么，这里洛伦兹力又怎么能在磁场中运动导体内搬运电荷做功，充当动生电动势非静电力呢？如图,9.9,所表示,图,9.9,洛伦兹力做功分析,第13页,9.2,产生感应电动势机理,例,9.3,如图,9.10,所表示，一金属棒,OA,长,l=50,cm,，在大小为,B=0.50,10,4,Wb,m,2,方向垂直纸面向内均匀磁场中，以一端,O,为轴心做逆时针匀速转动，转速为,2 rad/s,。,试求此金属棒动生电动势，哪一端电势高,?,图,9.10,例,9.3,图,第14页,9.2,产生感应电动势机理,感生电动势与感生电场,9.2.2,1.,感生电动势,导体不动而磁场,B,改变时出现感生电动势，由此推断导体中电子一定是因为,B,改变而受到一个力,。,迄今为止，已经认识了两种电荷所受力，一是电荷受到其它电荷激发电场对它施加静电场力；图,9.12,给出了一个经典感生电场,。,图,9.12,感生电场,第15页,9.2,产生感应电动势机理,如图,9.13,所表示,。,这就是感生电场与改变磁场之间关系，是电磁场基本方程之一,。,图,9.13,改变磁场与,感生电场,第16页,9.2,产生感应电动势机理,2.,感生电场,感生电场与静电场起因和性质截然不一样，静电场是由电荷激发，是一个有源保守场；感生电场是由改变磁场激发，是一个无源、非保守场,。,它们共同点在于对场中电荷都有力作用,。,如图,9.14,所表示,。,图,9.14,例,9.5,图,第17页,9.2,产生感应电动势机理,3.,电子感应加速器应用感生电场来加速电子,图,9.15,所表示,为,1940,年由美国物理学家克斯特制造电子感应加速器,。,它是利用改变磁场激发感生电场加速电子,。,其原理是在电磁铁两磁极间放一个真空室，电磁铁是由交流电来激磁,。,图,9.15,电子感应加速器,第18页,9.2,产生感应电动势机理,满足上式，电子就可在半径为,R,轨道上运动,。,如图,9.16,所表示,。,图,9.16,涡旋电场方向,第19页,9.2,产生感应电动势机理,4.,涡电流,感应电流不但能够在导电回路内出现，在一些电气设备中，经常碰到大块金属导体在磁场中运动或处于改变磁场中，此时在金属导体中也会产生感应电流，这种电流在金属导体内部自成闭合回路，称为涡电流,。,如图,9.17,所表示,。,图,9.17,涡电流,第20页,9.2,产生感应电动势机理,涡电流方向如图,9.18,中虚线所表示,。,而要受到磁场安培力作用，其方向恰与摆针运动方向相反，因而妨碍摆针运动,。,利用电磁感应还能够实现电磁驱动,.,如图,9.19,所表示，一金属圆盘紧靠磁铁两极但不接触,.,当磁铁旋转起来时，圆盘中各区域内磁通量发生改变,。,第21页,9.2,产生感应电动势机理,图,9.18,电磁阻尼,图,9.19,电磁驱动,第22页,9.2,产生感应电动势机理,自感电动势,9.2.3,1.,自感现象与自感系数,当一个回路中通有电流时，电流会在其周围空间产生磁场，因而必定会有磁通量穿过回路本身，如图,9.20,所表示,。,自感现象能够经过如图,9.21,所表示试验来观察,。,第23页,9.2,产生感应电动势机理,图,9.20,自感,图,9.21,自感现象演示,第24页,9.2,产生感应电动势机理,2.,自感电动势,自感现象有时也会带来危害,。,大型电动机、发电机、电磁铁等，它们绕组线圈都含有很大自感，在电路接通和断开时，开关处可出现强烈电弧，甚至烧毁开关、造成火灾并危及人身安全,。,为了防止事故，必须使用带有灭弧结构特殊开关,(,负荷开关或油开关等,).,在实际中，各类线圈自感系数相差很大,。,第25页,9.3,磁场能量,自感磁能,9.3.1,上一节讨论了自感现象，发觉有自感线圈电路电流是逐步改变,。,如图,9.22,所表示，图中电路开关,K,突然由,1,拨到,2,时，自感线圈,L,中电流不是马上消失，而是按指数规律逐步衰减到零,。,图,9.22 R-L,电路,第26页,9.3,磁场能量,磁场能量密度,9.3.2,如图,9.23,所表示,.,当细螺绕环通电流,I,时，它内部磁感应强度为,B=,nI,。,从上节内容知道,。,图,9.23,螺绕环,第27页,9.4,麦克斯韦方程组,位移电流,9.4.1,既然改变磁场能够产生电场，那么改变电场会给我们一些什么新启发呢,?,与改变电场有联络，我们最熟悉事情就是电容器充、放电过程,。,下面详细研究平行板电容器充电过程,。,现在把此式应用于一个含有电容器回路，如图,9.25,所表示,。,设电容器充电过程中某一瞬间电流为,I,，其随时间而改变,。,第28页,9.4,麦克斯韦方程组,图,9.25,电容器充电过程,第29页,9.4,麦克斯韦方程组,而平行板电容器极板间电场电位移矢量大小等于极板上电荷面密度，再考虑一下方向，由图,9.26,能够看到,。,图,9.26,电容器充、放电电路,第30页,9.4,麦克斯韦方程组,全电流定律,9.4.2,第31页,9.4,麦克斯韦方程组,麦克斯韦方程组积分形式,9.4.3,人类对电和磁现象认识能够追溯到公元前,6,世纪,.,不过两千多年以来，一直处于定性初级阶段，电磁学形成一门完整学科，是在,18,世纪造出一些较精密仪器以后，经过大量科学实践，才总结出库仑定律、安培安律、电磁感应定律等一系列规律,.,从此，电磁现象实用价值开始引发人们重视，这就大大促进了电磁学发展,。,第32页,9.4,麦克斯韦方程组,随即许多试验，不但证实了光波是电磁波，而且证实了以后发觉伦琴射线、射线等都是电磁波，它们在真空中传输速率都是,c,，并都含有电磁波共同特征,。,但它们波长,(,或频率,),范围有很大差异，所以可将它们波长,(,或频率,),按照一定次序排列成谱，称为电磁波谱，如图,9.21,所表示,。,第33页,9.4,麦克斯韦方程组,图,9.21,电磁波谱,第34页,Thank You!,第35页,