大学物理i电磁学磁场省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第1页第二节第2页一、一、电流强度电流强度形成电流条件形成电流条件：在导体内有能够自由移动电荷或叫载流子（如在导体内有能够自由移动电荷或叫载流子（如在半导体中载流子有电子或空穴；在金属中是电在半导体中载流子有电子或空穴；在金属中是电子；在电解质溶液中是离子）。子；在电解质溶液中是离子）。在导体内要维持一个电场，或者说在导体两在导体内要维持一个电场，或者说在导体两端要存在有电势差。端要存在有电势差。在导体或在导体或电解质溶液中电解质溶液中电流称为电流称为传导电流传导电流。第3页+电流强度电流强度定义为经过截面定义为经过截面S 电荷随时间电荷随时间改变率改变率为电子为电子漂移速度漂移速度大小大小单位单位:A，mA，要求正电荷流动方向为正方向。要求正电荷流动方向为正方向。第4页几个经典电流分布几个经典电流分布粗细均匀金粗细均匀金属导体属导体粗细不均匀金粗细不均匀金属导线属导线半球形接地电极半球形接地电极附近电流附近电流电阻法勘探矿藏电阻法勘探矿藏时电流时电流同轴电缆中漏同轴电缆中漏电流电流第5页 2、电流密度电流密度矢量矢量该点该点正正电荷电荷运动方向运动方向方向方向要求：要求：大小大小要求：等于在单位时间内过该点附近垂直要求：等于在单位时间内过该点附近垂直于正电荷运动方向单位面积电荷于正电荷运动方向单位面积电荷当经过任一截面电量不均匀时，用电流强度来描述就当经过任一截面电量不均匀时，用电流强度来描述就不够用了，有必要引入一个描述空间不一样点电流大不够用了，有必要引入一个描述空间不一样点电流大小。小。第6页 恒恒 定定 电电 流流 电流连续性方程电流连续性方程 电流稳恒条件电流稳恒条件SI 若闭合曲面若闭合曲面 S 内电荷不随时间而内电荷不随时间而改变，有改变，有 单位时间内经过闭合曲面向外流出电荷，等于此时单位时间内经过闭合曲面向外流出电荷，等于此时间内闭合曲面里电荷降低许间内闭合曲面里电荷降低许.第7页恒定电场恒定电场 1）在恒定电流情况下，导体中电荷分布不随）在恒定电流情况下，导体中电荷分布不随时间改变形成恒定电场；时间改变形成恒定电场；2）恒定电场）恒定电场与静电场含有相同性质与静电场含有相同性质（高斯定（高斯定理和环路定理），理和环路定理），恒定电场可引入电势概念；恒定电场可引入电势概念；恒恒 定定 电电 流流 导体内载流子定向运动是在稳恒电场作用下形导体内载流子定向运动是在稳恒电场作用下形成。成。第8页第二节第9页一、非静电力一、非静电力用导线连接两个带电导体用导线连接两个带电导体 伴随自由电荷不停迁移，两导体上电荷量逐伴随自由电荷不停迁移，两导体上电荷量逐步降低，导体间电势差减小，导线中电流逐步减步降低，导体间电势差减小，导线中电流逐步减小。小。第10页 要在导体内形成恒定电流，就必须在导体内建要在导体内形成恒定电流，就必须在导体内建立一个恒定电场。立一个恒定电场。完成这一过程必须有一个提供完成这一过程必须有一个提供非静电力非静电力装置，装置，即电源。即电源。电源不停消耗其它形式能量克服静电力做功。凡电源不停消耗其它形式能量克服静电力做功。凡电源内部都有电源内部都有非静电力非静电力。第11页3.电源、电动势电源、电动势第12页内电路：内电路：电源内部正负两极之间电路。非静电力电源内部正负两极之间电路。非静电力使正电荷由负极经电源内部抵达正极。使正电荷由负极经电源内部抵达正极。外电路：外电路：电源外部正负两极之间电路。静电力使正电源外部正负两极之间电路。静电力使正电荷由正极经电源外部抵达负极。电荷由正极经电源外部抵达负极。类似定义场强方法来定义非静电力场强，单类似定义场强方法来定义非静电力场强，单位正电荷所受非静电力称为非静电力场强。位正电荷所受非静电力称为非静电力场强。第13页 把电荷把电荷q q由负极移向正极由负极移向正极(经电源内部经电源内部)非静非静电力作功电力作功二、电动势二、电动势电动势：电动势：把单位正电荷经电源内部由负极移向正极把单位正电荷经电源内部由负极移向正极过程中，非静电力所作功。过程中，非静电力所作功。电源电动势方向电源电动势方向:要求自负极经内电路指向正极。要求自负极经内电路指向正极。若电动势存在于整个电流回路若电动势存在于整个电流回路L，可写作，可写作第14页第一节第15页司南第16页第17页第18页第19页第20页第21页第22页 地核每4比地壳多转一周地壳地壳地壳地壳地核地核地幔地幔N NS S 地球磁极每隔地球磁极每隔几千年会发生颠几千年会发生颠倒倒第23页磁双极不可分第24页奥斯特试验第25页双电流作用第26页电子束偏转第27页 电与磁是相互关联，密不可分。磁现象电与磁是相互关联，密不可分。磁现象微观微观基础基础是什么？是什么？安培认为：安培认为：磁现象本质是电流，物质磁性起源于磁现象本质是电流，物质磁性起源于“分子分子”电流。电流。1）每个分子相当于一个每个分子相当于一个环形电流环形电流.2）磁铁最小基元由磁铁最小基元由分子电流分子电流组成组成3）假如分子电流排列整齐，宏观上展现磁性。假如分子电流排列整齐，宏观上展现磁性。二、安培分子电流假说二、安培分子电流假说结论：结论：磁现象根源是电荷运动。磁现象根源是电荷运动。第28页磁起源结论第29页一系列试验表明一系列试验表明 磁铁磁铁 磁铁磁铁 电流电流 电流电流都存在相互作用都存在相互作用磁场磁场全部这些相互作用都是经过全部这些相互作用都是经过磁场磁场来传递来传递.磁场磁场和电场一样和电场一样,是一个特殊是一个特殊物质物质.一切一切磁现象磁现象起源于电荷运动起源于电荷运动.静止电荷静止电荷在其周围产生电场在其周围产生电场.运动电荷运动电荷在其周围空间产生磁场，又产生电场在其周围空间产生磁场，又产生电场.第30页电荷电荷静止电荷静止电荷电场电场电场强度电场强度运动电荷运动电荷运动电荷运动电荷磁场磁场磁感应强度磁感应强度第31页第二节第32页磁场第33页磁感应强度第34页三三、磁力线、磁力线（1 1）曲线上每一点曲线上每一点切线切线方向为该点磁场方向。方向为该点磁场方向。（2 2）经过垂直于磁场方向单位面积磁力线数为经过垂直于磁场方向单位面积磁力线数为该点磁感应强度大小该点磁感应强度大小.1.1.画法画法(1)(1)两条磁感线不能相交；两条磁感线不能相交；(2)(2)磁感线是围绕电流闭合曲线。磁感线是围绕电流闭合曲线。2.2.性质性质第35页3.3.磁感线与电流关系磁感线与电流关系第36页4 4、经典电流磁感线、经典电流磁感线II（1 1）载流长直导线）载流长直导线（2 2）载流圆线圈）载流圆线圈 第37页（3 3）载流直螺线管）载流直螺线管 I（4 4）载流环形螺线管）载流环形螺线管 I第38页第三节第39页电流元第40页毕萨定律第41页应用第42页说明第43页例第44页例第45页例第46页例第47页例第48页小结第49页运动电荷磁场第50页例第51页例第52页第四节第53页磁感应线第54页图象第55页磁通量第56页续上第57页例第58页例第59页续第60页磁场高斯定理第61页安培环路定理第62页比较通通 量量环环 量量第63页例第64页应用举例第65页例第66页例第67页例第68页例第69页第六节第70页现象第71页安培定律第72页积分法求磁力第73页例第74页例第75页例第76页例第77页例第78页例第79页1安培定义第80页电磁炮第81页第七节第82页现象第83页磁力矩第84页续上第85页平衡第86页例第87页例匀强匀强第88页磁力矩功第89页例第90页第五节第91页洛仑兹力第92页电磁协力第93页带电粒子磁运动第94页圆运动第95页螺线运动第96页螺距第97页磁聚焦原理第98页磁聚焦側视第99页磁镜第100页AMS磁谱仪第101页续32同上同上第102页续33同上第103页范艾仑带第104页霍耳效应第105页续上第106页续上第107页高斯计第108页例第109页测半导体第110页静止电荷或运动电荷受到电场力静止电荷或运动电荷受到电场力运动电荷受到磁场力（洛仑兹力）运动电荷受到磁场力（洛仑兹力）7 7 带电粒子在电场和磁场中运动应用带电粒子在电场和磁场中运动应用 运动电荷在电场和磁场中受力运动电荷在电场和磁场中受力第111页J.J.Thomson在剑桥卡文迪许试验室从事在剑桥卡文迪许试验室从事X射线和射线和稀薄气体放电研究工作时，经过电场和磁场对阴稀薄气体放电研究工作时，经过电场和磁场对阴极射线作用，得出了这种射线不是以太波而是物极射线作用，得出了这种射线不是以太波而是物质质粒结论，测出这些质粒荷质比质质粒结论，测出这些质粒荷质比(电荷与质量电荷与质量之比），发觉了电子。之比），发觉了电子。一、荷质比测定一、荷质比测定 荷质比是荷质比是18971897年年J.J.Thomson J.J.Thomson 测定，即使当测定，即使当初已经有大西洋电缆，但对什么是电尚不清楚，初已经有大西洋电缆，但对什么是电尚不清楚，有些人认为电是以太活动。有些人认为电是以太活动。第112页试验装置图试验装置图在电子经过路径上施加相互垂直电场与磁场，利在电子经过路径上施加相互垂直电场与磁场，利用带电粒子在电场与磁场作用下发生偏转测出电用带电粒子在电场与磁场作用下发生偏转测出电子荷质比。子荷质比。试验原理试验原理第113页试验过程试验过程(1)电子受磁力和电力平衡，在显示器上不发生电子受磁力和电力平衡，在显示器上不发生偏转，从而测出电子流速度。偏转，从而测出电子流速度。（2）去掉电场，电子流只在磁场作用下偏转。去掉电场，电子流只在磁场作用下偏转。荷质比荷质比由荧光屏上光由荧光屏上光点位置确定点位置确定第114页讨论讨论1、第一次发觉了电子，是含有开创性试验发觉该荷质比约比氢离子荷质比大1000倍说明带电质粒是比原子更小质粒，以后这种质粒被称为电子。用不一样金属做试验做出来比值一样2、19，Milikan测电荷，发觉各种各样电荷总是某一个值整数倍发觉电子量子化3、19Kaufmann发觉荷质比随速度改变，那么终究是荷还是质随速度改变？第115页荷变还是质变？荷变还是质变？电荷随速度改变吗？对电中性物质加热，电子电荷随速度改变吗？对电中性物质加热，电子速度改变没有破坏电中性，电荷不随速度改变。速度改变没有破坏电中性，电荷不随速度改变。应该是质量随速度改变应该是质量随速度改变 荷质比测量意义荷质比测量意义1 1、电子是第一个被发觉基本粒子、电子是第一个被发觉基本粒子 2 2、搞清楚什么是电、搞清楚什么是电 3 3、发觉了速度效应，提供狭义相对论主要试验基、发觉了速度效应，提供狭义相对论主要试验基础础第116页二、霍耳效应二、霍耳效应霍尔电势差经验公式为：霍尔电势差经验公式为：RH与材料性质与材料性质及环境温度相及环境温度相关关经典霍耳效应是经典霍耳效应是1879年德国物理学家年德国物理学家Hall发觉发觉 第117页霍尔效应原因：是因为磁场对导体（半导体）内霍尔效应原因：是因为磁场对导体（半导体）内运动电荷洛伦兹力作用所引发效应。运动电荷洛伦兹力作用所引发效应。正、负电荷在导体两侧积累形成附加电场，当运正、负电荷在导体两侧积累形成附加电场，当运动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时I+-第118页得得霍耳系数霍耳系数霍耳电压霍耳电压设带电粒子浓度为设带电粒子浓度为n，则电流为：，则电流为：与霍尔电势差经验公式与霍尔电势差经验公式 比较比较取决于载流子浓度和带电取决于载流子浓度和带电正、负，可正、可负。正、负，可正、可负。第119页霍耳效应应用霍耳效应应用2 2）测量磁场测量磁场霍耳电压霍耳电压1 1）判断半导体类型判断半导体类型正、负取决于载流子正负正、负取决于载流子正负q0,UH0,P型半导体型半导体q0,UH0,N型半导体型半导体从霍尔系数测量值正、负能够判断导体载流子从霍尔系数测量值正、负能够判断导体载流子荷电性质荷电性质 第120页三、盘旋加速器三、盘旋加速器劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动基本劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动基本原理，原理，1932年制造了世界第一台带电粒子盘旋加年制造了世界第一台带电粒子盘旋加速器。此加速器可将质子和氘核加速到速器。此加速器可将质子和氘核加速到1MeV能量，能量，为此为此1939年劳伦斯取得诺贝尔物理学奖年劳伦斯取得诺贝尔物理学奖.电粒子盘旋加速器制造标志着人类能够利用电粒子盘旋加速器制造标志着人类能够利用加速器实现高能粒子、粒子之间方向，打开了神加速器实现高能粒子、粒子之间方向，打开了神秘粒子物理学大门。秘粒子物理学大门。第121页第122页盘旋加速器原理图盘旋加速器原理图NSBO两个半圆形两个半圆形D形金属盒，形金属盒，放置在垂直于放置在垂直于D形金属形金属盒面磁场中，在两个盒面磁场中，在两个D形金属盒间隙中施加形金属盒间隙中施加加速粒子交变电场。加速粒子交变电场。金属盒电场屏蔽效应使得金属盒电场屏蔽效应使得D形金属盒内部不受外电场干形金属盒内部不受外电场干扰，所以在其中运动带电粒扰，所以在其中运动带电粒子仅收到磁场作用。子仅收到磁场作用。第123页盘旋共振频率与粒子速盘旋共振频率与粒子速度与半径无关度与半径无关电场改变频率等于带电粒子盘旋共振频率。电场改变频率等于带电粒子盘旋共振频率。确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子盘旋。确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子盘旋。加速带电粒子在加速带电粒子在D形金属盒作圆周运动，出形金属盒作圆周运动，出射最大速率为射最大速率为出射粒子最大动能为出射粒子最大动能为 第124页 我国于我国于19941994年建成第一台年建成第一台强流质子加速强流质子加速器，可产生数器，可产生数十种中短寿命十种中短寿命放射性同位素放射性同位素 .第125页伴随粒子加速能量提升，使得粒子速度非常伴随粒子加速能量提升，使得粒子速度非常大，此时需要考虑相对论效应：大，此时需要考虑相对论效应：此时带电粒子盘旋周期：此时带电粒子盘旋周期：与粒子速率相关，盘旋加速器不可能把粒子加速与粒子速率相关，盘旋加速器不可能把粒子加速到很高速率到很高速率第126页完第127页第九章第九章 介质中磁场介质中磁场磁介质：磁介质：能够影响磁场物质。能够影响磁场物质。物质磁化：物质磁化：在外磁场作用下磁介质出现磁性或在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生改变现象称磁性发生改变现象称磁化磁化。磁介质被磁化后，会。磁介质被磁化后，会产生产生附加磁场附加磁场，从而改变原来空间磁场分布。，从而改变原来空间磁场分布。第128页1 1 磁介质磁化磁介质磁化真空中磁场真空中磁场介质磁化后附加磁场介质磁化后附加磁场介质中磁场介质中磁场在介质均匀充满磁场情况下在介质均匀充满磁场情况下顺磁质：顺磁质：磁介质在磁化过程中，磁介质所产生附磁介质在磁化过程中，磁介质所产生附加磁场与外磁场方向相同。加磁场与外磁场方向相同。一、磁介质分类一、磁介质分类第129页铁磁质铁磁质 磁磁介介质质分分类类抗磁质抗磁质弱磁性物质弱磁性物质附加磁场较弱附加磁场较弱强磁性物质强磁性物质 附加磁场较强附加磁场较强抗磁质：抗磁质：磁介质在磁化过程中，磁介质所产生磁介质在磁化过程中，磁介质所产生附加磁场与外磁场方向相反。附加磁场与外磁场方向相反。铁磁质：铁磁质：在外磁场作用下能产生很强附加磁场。在外磁场作用下能产生很强附加磁场。顺磁质顺磁质第130页 分子电流：分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应总和，可用原子中各个电子对外界所产生磁效应总和，可用一个等效圆电流表示，统称为一个等效圆电流表示，统称为分子电流分子电流。分子磁矩分子磁矩:把分子所含有磁矩统称为分子磁矩，用符把分子所含有磁矩统称为分子磁矩，用符号号 表示。表示。二、介质磁化微观机制二、介质磁化微观机制1顺磁质：顺磁质：分子固有磁矩不为零。即：分子固有磁矩不为零。即：无外磁场无外磁场时，时，因为热运动，分子固磁矩排列混乱，在因为热运动，分子固磁矩排列混乱，在 V体积体积内，分子固有内，分子固有磁矩矢量和磁矩矢量和为零，为零，对外，对外不显出磁性。不显出磁性。第131页 V 有磁场时，分子固有磁矩沿着外磁场方向排列，有磁场时，分子固有磁矩沿着外磁场方向排列，在宏观上任意体积内在宏观上任意体积内,分子固有磁矩矢量之和不为分子固有磁矩矢量之和不为零，对外零，对外显出磁性显出磁性。VB0第132页 当外磁场越当外磁场越强强、分子固磁矩排列越整齐、所产、分子固磁矩排列越整齐、所产生生附加磁场越强附加磁场越强。在磁介质在磁介质 V内内,pm 0,pm 排列整齐排列整齐,产生附加产生附加磁场磁场B 2 2 电子进动电子进动处于外磁场中分子，电子轨道运动受力矩处于外磁场中分子，电子轨道运动受力矩在力矩作用下，电子角动量绕外磁场方向在力矩作用下，电子角动量绕外磁场方向进动进动。因为进动，电子产生了因为进动，电子产生了附加磁矩附加磁矩.第133页e角动量角动量不论电子轨道运动方向怎样，不论电子轨道运动方向怎样，附加磁矩总与外磁场方向相反。附加磁矩总与外磁场方向相反。对自旋磁矩，外磁场也有一对自旋磁矩，外磁场也有一样作用。样作用。对顺磁质对顺磁质附加磁矩能够忽略附加磁矩能够忽略 电子轨道平面电子轨道平面第134页电子进动电子进动第135页3 抗磁质抗磁质抗磁质分子固有磁矩为零抗磁质分子固有磁矩为零即：即：无外磁场时，无外磁场时，pm=0，对外对外不显不显出磁性出磁性即使抗磁质分子固有磁矩为零（即即使抗磁质分子固有磁矩为零（即 pm=0)，不，不过在外磁场作用下，电子角动量绕外磁场方向过在外磁场作用下，电子角动量绕外磁场方向进进动动。因为电子进动，产生与外磁场方向相反附加磁矩因为电子进动，产生与外磁场方向相反附加磁矩附加磁矩产生附加磁场和外磁场相反。所以抗附加磁矩产生附加磁场和外磁场相反。所以抗磁质磁化结果使介质内部磁质磁化结果使介质内部磁场减弱磁场减弱。第136页 采取采取磁化强度磁化强度来定量描述磁介质在外场中磁来定量描述磁介质在外场中磁化行为。化行为。不论顺磁质还是抗磁质，在外磁场中磁化微观不论顺磁质还是抗磁质，在外磁场中磁化微观机制不一样，但宏观上有机制不一样，但宏观上有共同共同之处。之处。三、磁化强度与磁化电流三、磁化强度与磁化电流在磁介质内取一小体积在磁介质内取一小体积V,有有外磁场时外磁场时单位体积内分子磁矩矢量和。单位体积内分子磁矩矢量和。没有没有外磁场时外磁场时1.1.磁化强度磁化强度第137页2.2.磁化电流磁化电流.传导电流传导电流传导电流传导电流l管内是均管内是均管内是均管内是均匀顺磁质匀顺磁质匀顺磁质匀顺磁质.+对于各向同性均匀介质，介质内部各分子电流对于各向同性均匀介质，介质内部各分子电流相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，相互抵消，而在介质表面，各分子电流相互叠加，在磁化圆柱表面出现一层电流，好象一个载流螺线在磁化圆柱表面出现一层电流，好象一个载流螺线管，称为管，称为磁化面电流磁化面电流。第138页 设介质表面沿轴线方向单位长度上磁化电流设介质表面沿轴线方向单位长度上磁化电流为为 （面磁化电流密度），则长为（面磁化电流密度），则长为l 一段介质上磁一段介质上磁化电流强度化电流强度I IS S为为第139页 取一长方形闭合回路取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质边在磁介质内部，平行与柱体轴线，长度为内部，平行与柱体轴线，长度为l，而，而BC、AD两两边则垂直于柱面。边则垂直于柱面。磁化强度对闭合回路线积分等于经过回路所磁化强度对闭合回路线积分等于经过回路所包围面积内总磁化电流。包围面积内总磁化电流。第140页2 2 磁介质中磁场磁介质中磁场有磁介质存在时，空间任一点磁场有磁介质存在时，空间任一点磁场 总磁场总磁场 遵从规律遵从规律要求出介质中磁场要求出介质中磁场,必须已知磁化电流必须已知磁化电流但但所以引入一辅助矢量所以引入一辅助矢量磁场强度磁场强度H。第141页传导电流传导电流定义：定义：磁场强度磁场强度将将代入上式，得代入上式，得两边同除以两边同除以 0，再移项，再移项 一、介质中安培环路定理一、介质中安培环路定理第142页得到磁场强度得到磁场强度安培环路定理安培环路定理磁场强度磁场强度 安培环路定理优点：安培环路定理优点：2）不过磁场强度不过磁场强度 ，其中包，其中包含磁化强度矢量。含磁化强度矢量。1）避开了磁化电流，使得环路积分只与传导电流避开了磁化电流，使得环路积分只与传导电流相联络；相联络；沿任一闭合路径沿任一闭合路径 环量等于此闭合路径围绕传环量等于此闭合路径围绕传导电流代数和。导电流代数和。第143页二、磁化规律二、磁化规律 对于各向同性线性磁介质对于各向同性线性磁介质为介质磁化率为介质磁化率由由1.1.M与与H关系关系2.2.B与与H关系关系相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率第144页磁介质技术参数特征磁介质技术参数特征:真空中，真空中，M=0无磁化现象无磁化现象 M和和H同向，同向，顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质 M和和H反向，反向，注注意意：为为研研究究介介质质中中磁磁场场提提供供方方便便而而不不是是反反应应磁磁场场性性质质基基本本物物理理量量，才才是是反反应应磁磁场场性性质质基基本本物物理量。理量。第145页第十章第十章 电磁感应和暂态过程电磁感应和暂态过程18奥斯特发觉了电流磁效应，揭示了磁力作用起源于电流、电流之间相互作用。深入，人们会问：磁是否会有电效应？深入，人们会问：磁是否会有电效应？各种探索均告失败各种探索均告失败(比如安培、比如安培、科拉顿科拉顿)。1831年年,法拉第终于法拉第终于在总结前人相关试验失败基础在总结前人相关试验失败基础上，设计出正确试验上，设计出正确试验,并发觉并发觉了了电磁感应现象电磁感应现象。第146页法拉第电磁感法拉第电磁感应试验装置应试验装置试验现象：发觉只有在试验现象：发觉只有在A电路突然闭合、突然断瞬间，电路突然闭合、突然断瞬间，才可能在才可能在B电路内产生电路内产生感应电流感应电流!电磁感应现象所对应过程是非稳恒电磁感应现象所对应过程是非稳恒暂态过程暂态过程.1 电磁感应定律电磁感应定律法拉第提出了感应电动势观点：电磁感应是在相法拉第提出了感应电动势观点：电磁感应是在相关电路中产生了关电路中产生了电动势电动势，假如电路是闭合，电动，假如电路是闭合，电动势将驱动电荷运动产生感应电流。势将驱动电荷运动产生感应电流。第147页一、电磁感应现象一、电磁感应现象法拉第把能够产生感应电流情况概括成五类：法拉第把能够产生感应电流情况概括成五类：改变着改变着电流电流；改变着；改变着磁场磁场；运动运动稳恒电流；运动稳恒电流；运动磁磁铁铁；在磁场中运动；在磁场中运动导体导体。第148页第149页怎样用数学关系式来表述怎样用数学关系式来表述?第150页二、电磁感应定律二、电磁感应定律法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：闭合导体回路中感应电动势大小与穿过回路磁通闭合导体回路中感应电动势大小与穿过回路磁通量改变率成正比量改变率成正比:负号负号”-”-”能够了解为感电动势所产生感生电流磁能够了解为感电动势所产生感生电流磁场总是场总是反抗反抗磁通量改变，所以它包含了磁通量改变，所以它包含了愣次定律愣次定律物物理内涵。理内涵。第151页计算计算感应电动势感应电动势大小大小是任意是任意t 时刻原磁场经过闭合回路时刻原磁场经过闭合回路磁通量磁通量 表示表示dt时间内原磁场经过闭合回路磁通量时间内原磁场经过闭合回路磁通量改变量改变量。在在SI制中，感应电动势为伏特（制中，感应电动势为伏特（V）,磁通量为韦伯磁通量为韦伯(Wb),),时间单位为秒时间单位为秒.由磁通量表示式显然得出由磁通量表示式显然得出:1:1韦伯韦伯(Wb)=)=1Tm2 第152页 感应电动势感应电动势方向方向为感生电流方向，由为感生电流方向，由低低地势地势指向指向高高电势。电势。感生电流方向判断则由感生电流方向判断则由1834年愣次提出定律年愣次提出定律决定决定.愣次定律愣次定律:闭合回路中感应电流方向，总是使得感闭合回路中感应电流方向，总是使得感应电流所激发磁场应电流所激发磁场妨碍妨碍引发感应电流磁通量改变引发感应电流磁通量改变.第153页愣次定律判断感应电流步骤：愣次定律判断感应电流步骤：1 1、判明穿过闭合回路内、判明穿过闭合回路内原磁场原磁场方向；方向；3 3、按、按右手法则右手法则由感应电流磁场方向来确定感应由感应电流磁场方向来确定感应电流方向。电流方向。2 2、依据原磁通量、依据原磁通量改变改变 ,按照楞次定律要求确按照楞次定律要求确定感应电流磁场方向；定感应电流磁场方向；感应电流只有按照楞次定律所要求方向流动才能感应电流只有按照楞次定律所要求方向流动才能不违反不违反能量守恒定律能量守恒定律。第154页必定违反能量守恒定律必定违反能量守恒定律.机械能机械能焦耳热焦耳热 维持滑杆运动必须外加一力，此过程为外力克维持滑杆运动必须外加一力，此过程为外力克服安培力服安培力做功做功转化为转化为焦耳热焦耳热.若违反楞次定律若违反楞次定律,第155页1.1.要求回路绕行要求回路绕行正正方向。方向。法拉第电磁感应定律判断感应电流方向：法拉第电磁感应定律判断感应电流方向：2.2.由回路绕行方向给出由回路绕行方向给出法线法线方向方向3.3.绕行方向绕行方向L 方向绕行一致；方向绕行一致；绕行方向绕行方向L 方向绕行相反。方向绕行相反。回路绕行方向回路绕行方向L和法线方和法线方向组成右手螺旋。向组成右手螺旋。第156页m分四种情况讨论：分四种情况讨论：1 1）由定律得由定律得00故故与与 L 方向相反方向相反2 2）由定律得由定律得故故与与 L 方向相同方向相同m绕行正方向绕行正方向绕行正方向绕行正方向第157页m3 3）由定律得由定律得000时回路时回路法线法线方向。方向。2 2）由）由右螺要求回路右螺要求回路绕行绕行正方向。正方向。利使用方法拉第电磁感应定律计算电动势步骤：利使用方法拉第电磁感应定律计算电动势步骤：3 3）依据）依据 计算任意计算任意t时刻经过回时刻经过回路路磁通量磁通量。4 4）由法拉第定律计算）由法拉第定律计算电动势电动势5 5）依据电动势正、负判断电动势）依据电动势正、负判断电动势方向方向。第159页闭合回路由闭合回路由 N 匝密绕线圈组成匝密绕线圈组成 若闭合回路电阻为若闭合回路电阻为R ，感应电流为，感应电流为第160页思索思索 将形状完全相同铜环和木环静止放在改变将形状完全相同铜环和木环静止放在改变磁场当中，并使经过两个环磁通量随时间改变率磁场当中，并使经过两个环磁通量随时间改变率相同，则相同，则4 4）木环中有感应电流吗？）木环中有感应电流吗？结论：不论是导体回路还是非导体回路，只要回结论：不论是导体回路还是非导体回路，只要回路中磁通量随时间改变率相同，则感应电动势相路中磁通量随时间改变率相同，则感应电动势相同。同。1 1）铜环中有感应电动势吗？）铜环中有感应电动势吗？2 2）木环中有感应电动势吗？）木环中有感应电动势吗？3 3）铜环中有感应电流吗？）铜环中有感应电流吗？有有有有有有没有没有第161页例例1 1 长直导线通有电流长直导线通有电流I I，在它附近放有一矩形导，在它附近放有一矩形导体回路体回路.求求：1 1）穿过回路中）穿过回路中m；2 2）若）若I=kt（k=常量）回路中常量）回路中 i=？3 3）若）若I=常数，回路以常数，回路以v向右向右运动，运动，i =？4 4）若）若I=kt，且回路又以，且回路又以v向向右运动时，求右运动时，求 i=？第162页解解：设垂直纸面向里为回路法线方向，则顺时针设垂直纸面向里为回路法线方向，则顺时针为回路绕行正方向为回路绕行正方向1 1）穿过回路中穿过回路中m；无限长载流导线磁场无限长载流导线磁场 第163页I=kt时，在时，在t时刻时刻，2 2）若）若I=kt（k=常数）回路中常数）回路中 i=？电动势方向为逆时针方向电动势方向为逆时针方向由法拉第电磁感应定律由法拉第电磁感应定律第164页I=常数，常数，t 时刻，此时回路磁通：时刻，此时回路磁通：顺时针方向顺时针方向3 3）若）若I=常数，回路以常数，回路以v向右运动，向右运动，i i=？第165页4 4）若）若I=kt，且回路又以，且回路又以v向右运动时，求向右运动时，求 i=？t 时刻回路磁通时刻回路磁通第166页例例3 3 真空中一长直导线通有电流真空中一长直导线通有电流 其中其中t t为时间，为时间，I0和和大于零。有一带滑动边大于零。有一带滑动边矩形矩形导线框与长直导线平行共面导线框与长直导线平行共面，二者相距为二者相距为a ，矩矩形线框形线框滑动边长为滑动边长为b，以以匀匀速率速率v 运动，运动，设开始时设开始时滑动边与对边重合，滑动边与对边重合，求求任意任意t时刻线框内感时刻线框内感应电动势应电动势，并讨论方向。，并讨论方向。ab第167页解：解：取线框面积正法向垂直纸面向里，则经过取线框面积正法向垂直纸面向里，则经过线框磁通量线框磁通量 将将代入上式代入上式回路绕行正方向为顺时针方向回路绕行正方向为顺时针方向第168页由法拉第电磁感应定律得由法拉第电磁感应定律得电动势为顺时针方向电动势为顺时针方向电动势为逆时针方向电动势为逆时针方向第169页2 2 动生电动势动生电动势 感生电动势感生电动势感应电动势感应电动势感生电动势感生电动势动生电动势动生电动势产生原因、规律不相同产生原因、规律不相同都遵从电磁感应定律都遵从电磁感应定律线圈内磁场改变线圈内磁场改变导线或线圈在磁场中运动导线或线圈在磁场中运动两类试验现象两类试验现象第170页动生电动势动生电动势:导体在磁场中运动而产生感应电动势，导体在磁场中运动而产生感应电动势，称为动生电动势称为动生电动势.一、动生电动势一、动生电动势假如假设磁场假如假设磁场B为恒定磁场，导体中自由电子跟随为恒定磁场，导体中自由电子跟随导体运动导体运动,含有速度含有速度v，电子受洛伦磁力作用。产，电子受洛伦磁力作用。产生动生电动势非静电力就是洛仑兹力。生动生电动势非静电力就是洛仑兹力。单位正电荷洛仑兹力单位正电荷洛仑兹力第171页+OP-+电动势方向：电动势方向：方向方向由电动势定义由电动势定义动生电动势大小动生电动势大小 2 2）产生动生电动势条件为：）产生动生电动势条件为：与与 不平不平行，即导体需要切割磁力线行，即导体需要切割磁力线 讨论：讨论：1 1）若）若 ，此时导体运动不切，此时导体运动不切割磁力线。割磁力线。第172页均匀磁场均匀磁场非均匀磁场非均匀磁场计计算算动动生生电电动动势势分分 类类方方 法法平动平动转动转动第173页例例1 1 已知一段直导线长已知一段直导线长L，在均匀磁场，在均匀磁场B中以速率中以速率v匀速平动，如图所表示，求直导线两端电势差。匀速平动，如图所表示，求直导线两端电势差。均匀磁场均匀磁场 导线平动导线平动解：由动生电动势定义解：由动生电动势定义a a+L电动势方向与电动势方向与 一致一致第174页特例特例+第175页闭合线圈平动闭合线圈平动闭合线圈平动闭合线圈平动直导线平动直导线平动均匀磁场均匀磁场第176页+R例例2 2 有二分之一圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁有二分之一圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁力线运动力线运动求：动生电动势。求：动生电动势。已知：已知：作辅助线作辅助线ab，形成闭合回路形成闭合回路。方向：方向：解解一一第177页+Rd 方向：方向：解二解二第178页+Po解一解一 例例3 3 一长为一长为 铜棒在磁感强度为铜棒在磁感强度为 均匀磁场中均匀磁场中,以角速度以角速度 在与磁场方向垂直平面上绕棒一端转动，在与磁场方向垂直平面上绕棒一端转动，求铜棒两端求铜棒两端感应电动势感应电动势.（点点P 电势高于点电势高于点O 电势）电势）方向方向:O P均匀磁场均匀磁场 导体转动导体转动第179页解二：以解二：以o为圆心为圆心op为半径作部分辅助圆周，并与一固为半径作部分辅助圆周，并与一固定半径定半径OQ形成一闭合回路，某时刻形成一闭合回路，某时刻op与固定半径之间与固定半径之间夹角为夹角为，取顺时针方向为此回路绕行正方向。，取顺时针方向为此回路绕行正方向。在在op段中应为由段中应为由o指向指向p+oPQ 第180页例例4 4 无限长载流直导体通有电流无限长载流直导体通有电流I，方向自下而上。，方向自下而上。导线导线ab垂直于直导线且二者在同一平面内，垂直于直导线且二者在同一平面内，a、b距距直导线距离分别为直导线距离分别为l1和和l2，导线，导线ab以速度以速度v在平面内在平面内向上运动，求向上运动，求abab两端电势差。两端电势差。非均匀磁场非均匀磁场 导体平动导体平动方向由方向由b指向指向a解一解一 ab上任一线元上任一线元第181页解法二：作静止辅助线与解法二：作静止辅助线与ab组成回路，某时刻组成回路，某时刻ab与与线框底部之间距离为线框底部之间距离为h，方向由方向由b指向指向a第182页例例5 5 均匀磁场均匀磁场 垂直纸面向外，面积为垂直纸面向外，面积为S线框线框abcd由由N匝导线绕制而成且绕图示转轴以匝导线绕制而成且绕图示转轴以 匀速转动，求匀速转动，求线框中感应电动势。线框中感应电动势。均匀磁场均匀磁场 闭合导体转动闭合导体转动解：磁感应强度解：磁感应强度 与与OO 垂垂直，线圈法线直，线圈法线 与磁感应与磁感应强度强度 之间夹角为之间夹角为 时，每时，每匝线圈磁通量为匝线圈磁通量为第183页N匝线圈中所产生感应电动势匝线圈中所产生感应电动势设设t=0时，时，0=0，则，则=t ，就有，就有令令NBS=0，表示当线圈平行于磁场方向瞬时感，表示当线圈平行于磁场方向瞬时感应电动势，即线圈中最大感应电动势量值，上式可应电动势，即线圈中最大感应电动势量值，上式可写为写为在匀强磁场内转动线圈中所产生电动势是随时间作周在匀强磁场内转动线圈中所产生电动势是随时间作周期性改变，这就是发电机基本工作原理。期性改变，这就是发电机基本工作原理。第184页abc 例例6 如图，如图，abc为金属框为金属框,bc边长为边长为L,则则a、c两点两点间电势差间电势差Va-Vc=?解：整个三角金属框电动势解：整个三角金属框电动势第185页例例7 7 长度为长度为L导体棒在均匀磁场中绕垂直于棒轴导体棒在均匀磁场中绕垂直于棒轴转动，角速度为转动，角速度为，磁场与转轴平行，磁场与转轴平行，A到转轴距到转轴距离为离为B到转轴距离到转轴距离3倍，倍，A与与B点电势哪个高？电势点电势哪个高？电势差为多少？差为多少？OOBA第186页二、感生电动势二、感生电动势 导体不动，因为改变磁场产生电动势为感生导体不动，因为改变磁场产生电动势为感生电动势电动势.产生感生电动势非静电力是什么产生感生电动势非静电力是什么?（并非洛仑兹力）（并非洛仑兹力）怎样计算感应电动势大小？怎样计算感应电动势大小？这一问题被麦克斯韦这一问题被麦克斯韦在在18551855年处理。年处理。麦克斯韦尔假设：麦克斯韦尔假设：改变磁场产生感生电场（涡旋改变磁场产生感生电场（涡旋电场），感生电场产生感应电动势。电场），感生电场产生感应电动势。试验证实试验证实 麦克斯韦这一假定是完全正确。麦克斯韦这一假定是完全正确。第187页 麦克斯韦认为麦克斯韦认为:不论有没有导体或导体回路，不论有没有导体或导体回路，改变磁场都将在起周围空间产生含有闭合电力线改变磁场都将在起周围空间产生含有闭合电力线电场，称感生电场（涡旋电场）。电场，称感生电场（涡旋电场）。依据磁通量改变率与动生电动势关系：依据磁通量改变率与动生电动势关系：由此看出改变磁场产生了感应电动势。由此看出改变磁场产生了感应电动势。第188页依据电动势定义依据电动势定义涡旋电场与磁场改变关系涡旋电场与磁场改变关系涡旋电场所满足第二个方程为涡旋电场所满足第二个方程为第189页感应电场感应电场 特点特点：1）与与一样，对场中电荷有电场力作用一样，对场中电荷有电场力作用。2）不依赖空间是否有导体存在，不依