电磁感应现象-上课用教学提纲.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,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,单击此处编辑母版标题样式,*,电磁感应现象-上课用,19,世纪对电磁感应的探索，是一场国际性的研究活动。,1821,年，法国科学家,安培,已经开始探求磁生电的途径。安培做实验时总是保持线圈中的电流不变，没有观察到电磁感应现象。,1825,年，瑞士年轻的科学家,科拉顿,（,J.D.Colladon,，,18021892,）也用实验探索如何产生感应电流。克拉顿用条形磁铁在线圈中插入和拔出进行实验时，为了排除磁铁对“电流表”的影响，把“电流表”和线圈分别放在两个房间里。实验时，他在两个房间之间跑来跑去，没有观察到电磁感应现象。,遗憾的科拉顿,?,图6-1、导体在磁场中向前或向后运动,如图6-1所示，如果导体AB在磁场中向前或向后运动，电流表的指针就发生偏转，表明电路中有了电流，导体AB静止或上下运动时，电流表指针不偏转，电路中没有电流。,这表明导体AB向前或向后运动时要切割磁感线，导体AB静止或上下运动时不切割磁感线。可见，闭合电路中的一部分导体做切割磁感线的运动时，电路中就有电流产生。,在这个实验中，导体AB运动，如果导体不运动，让磁场运动，会不会在电路中产生电流？,把磁铁插入线圈，或把磁铁从线圈中抽出时，电流表指针发生偏转，这说明闭合电路中产生了电流。如果磁铁插入线圈后静止不动，电流表指针不会偏转，闭合电路中没有电流。,这个实验表明：磁铁相对于线圈运动时，线圈的导体切割磁感线。,如果导体和磁场不发生相对运动，而让穿过闭合电路的磁场发生变化，会不会在电路中产生电流呢？,1、把线圈B套在线圈A的外面，合上开关给线圈A通电时，,电表流的指针发生偏转，说明线圈B中有电流。,当线圈A中的电流达到稳定时，线圈B中的电流消失。,2、打开开关使线圈A断电时，,线圈B中又有电流产生。,3、如果用变阻器来改变电路中的电阻，使线圈A中的电流发生变化，,线圈B中也有电流产生。,这说明：线圈B处在线圈A的磁场中，当A通电或断电，或者使A中的电流发生变化时，A的磁场随着发生变化，穿过线圈B的磁通也随着发生变化。,这个实验表明：在导体和磁场不发生相对运动的情况下，只要穿过闭合电路的磁通发生变化，闭合电路中就有电流产生。,电磁感应现象,穿过闭合导体回路的,磁通量发生变化,感应电流,思考：怎么判断感应电流的方向。,在上一节实验中，当穿过闭合电路的磁通发生变化时，可以观察到电路中电流表的指针有时偏向这边，有时偏向那边。这表明在不同的情况下，感应电流的方向是不同的。那么，怎么确定感应电流的方向？,一、右手定则,感应电流的方向由右手定则来判定：,当闭合电路中的一部分导线做切割磁感线运动时，感应电流的方向，可用右手定则来判定。伸开右手，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直进去手心，大拇指指向导体运动方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。,当磁铁插入线圈时，原磁通在增加，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的增加；,当磁铁拔出线圈时，原磁通在减少，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相同，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的减少。,因此，得出结论：,当将磁铁插入或拔出线圈时，线圈中感应电流所产生的磁场方向，总是阻碍原磁通的变化。这就是,楞次定律,的内容,(,实验总结,。,根据楞次定律判断出感应电流磁场方向，然后根据安培定则，即可判断出线圈中的感应电流方向。,楞次定律介绍,二、,1,、楞次定律,2,判断步骤,由于线圈中所产生的感应电流磁场总是阻碍原磁通的变化，即阻碍磁铁与线圈的相对运动，因此，要想保持它们的相对运动，必须有外力来克服阻力做功，并通过做功将其他形式的能转化为电能，即线圈中的电流不是凭空产生的。,感应电流方向,3,楞次定律符合能量守恒定律,右手定则和楞次定律都可用来判断感应电流的方向，两种方法本质是相同的，所得的结果也是一致的。,右手定则适用于判断导体切割磁感线的情况，而楞次定律是判断感应电流方向的普遍规律。,分析：,用右手定则、楞次定律判定AB中感应电流的的方向。,应用右手定则电流由B A,导体向右运动，穿过导体的磁通增多，感应磁通阻碍磁通的增加，所以感应磁通方向和原磁通相反，方向向上，应用安培定则知，感应电流方向B A,当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的,负值,.,第三节、电磁感应定律,感应电流,感应电动势,注意,：对电源来说，电流流出的一端为电源的正极。,在电源内部，电流从电源负极流向正极，电动势的方向也是由负极指向正极，因此,感应电动势的方向,与感应电流的方向一致，仍可用右手定则和楞次定律来判断。,1,感应电动势,电磁感应现象中，闭合回路中产生了感应电流，说明回路中有电动势存在。在电磁感应现象中产生的电动势叫,感应电动势,。产生感应电动势的那部分导体，就相当于电源，如在磁场中切割磁感线的导体和磁通发生变化的线圈等。,2,感应电动势的方向,感应电动势是电源本身的特性，即只要穿过电路的磁通发生变化，电路中就有感应电动势产生，与电路是否闭合无关。,若电路是闭合的，则电路中有感应电流，若外电路是断开的，则电路中就没有感应电流，只有感应电动势。,3,感应电动势与电路是否闭合无关,1,感应电动势的大小,（,1）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向也垂直，则,E,=,BLv,（2）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向成,角，则,E,=,BLv,sin,2推导过程：,（1）设：ab长为,l,，以速度,v,沿垂直磁感线方向匀速向右运动，,t,s内移动距离aa,F=,B I l,；,F,out,=,F,外力反抗磁场力做的功,W,1,=F,out,l,aa,=,Fl,aa,=B I l v t,感应电流做的功：,W,2,=,E I t,因为：,W,1,=,W,2,BI l v t=,E I t,所以：,E,=,B l v,I,=,ER,（,R,是闭合电路电阻）,v,1,不切割磁感线，不产生感应电动势，只有,v,2,产生感应电动势所以,E,=,B l v,2,=,B l v,sin,3单位,：B,特斯拉（T）；,E,伏特（V）；,l,米（m）；,v,米/秒（ms）。,对于,N,匝线圈，有,式中,N,表示磁通与线圈匝数的乘积，称为磁链用,表示。即,于是,=,N,大量的实验表明：,单匝线圈中产生的感应电动势的大小，与穿过线圈的磁通变化率,/,t,成正比，即,1,利用公式 计算感应电动势时，若,v,为平均速度，则计算结果为平均感应电动势；若,v,为瞬时速度，则计算结果为瞬时感应电动势。,2,利用公式 计算出的结果为,t,时间内感应电动势的平均值。,【,例,6-1】,在图,6-1,中，设匀强磁场的磁感应强度,B,为,0.1 T,，切割磁感线的导线长度,l,为,40 cm,，向右运动的速度,v,为,5 m/s,，整个线框的电阻,R,为,0.5,，求：,(,1,),感应电动势的大小；,(,2,),感应电流的大小和方向；,(,3,),使导线向右匀速运动所需的外力,;,(,4,),外力做功的功率；,(,5,),感应电流的功率。,解,:,(,1,),线圈中的感应电动势为,(,2,),线圈中的感应电流为,由右手定则可判断出感应电流方向为,abcd,。,(,3,),由于,ab,中产生了感应电流，电流在磁场中将受到安培力的作用。用左手定则可判断出,ab,所受安培力方向向左，与速度方向相反，因此，若要保证,ab,以速度,v,匀速向右运动，必须施加一个与安培力大小相等，方向相反的外力。所以，外力大小为,外力方向向右。,(4),外力做功的功率为,(5),感应电流的功率为,可以看到，,P,=,P,，这正是能量守恒定律所要求的。,【,例,6-2】,在一个,B,=0.01 T,的匀强磁场里，放一个面积为,0.001 m,2,的线圈，线圈匝数为,500,匝。在,0.1 s,内，把线圈平面从与磁感线平行的位置转过,90,，变成与磁感线垂直，求这个过程中感应电动势的平均值。,解：在,0.1 s,时间内，穿过线圈平面的磁通变化量为,感应电动势为,说明：,(,1,),线圈的电感是由线圈本身的特性所决定的，它与线圈的尺寸、匝数和媒介质的磁导率有关，而与线圈中有无电流及电流的大小无关。,(,2,),其他近似环形的线圈，在铁心没有饱和的条件下，也可用上式近似计算线圈的电感，此时,l,是铁心的平均长度；若线圈不闭合，不能用上式计算。,(,3,),由于磁导率,不是常数，随电流而变，因此有铁心的线圈其电感也不是一个定值，这种电感称为非线性电感。,自感现象在各种电气设备和无线电技术中有着广泛的应用。荧光灯的镇流器就是利用线圈自感的一个例子。如图,6-3,是荧光灯的电路图。,图,6-3,荧光灯电路图,荧光灯主要由灯管、镇流器和启辉器组成。镇流器是一个带铁心的线圈，启辉器的结构如图,6-4,所示。,1,结构,图,6-4,启辉器结构图,启辉器是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的,U,形触片,灯管内充有稀薄的汞蒸气，当汞蒸气导电时，就发出紫外线，使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的光。由于激发汞蒸气导电所需的电压比,220 V,的电源电压高得多，因此荧光灯在开始点亮之前需要一个高出电源电压很多的瞬时电压。在荧光灯正常发光时，灯管的电阻很小，只允许通过不大的电流，这时又要使加在灯管上的电压大大低于电源电压。这两方面的要求都是利用跟灯管串联的镇流器来达到的。,2,工作原理,当开关闭合后，电源把电压加在起动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使,U,形片膨胀伸长，跟静触片接触而使电路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过。,电流接通后，启辉器中的氖气停止放电，,U,形触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。在电路突然断开的瞬间，镇流器的两端产生一个瞬时高压，这个电压和电源电压都加在灯管两端，使灯管中的汞蒸气开始导电，于是荧光灯管成为电流的通路开始发光。在荧光灯正常发光时，与灯管串联的镇流器就起着降压限流的作用，保证荧光灯的正常工作。,自感现象也有不利的一面。在自感系数很大而电流又很强的电路中，在切断电源瞬间，由于电流在很短的时间内发生了很大变化，会产生很高的自感电动势，在断开处形成电弧，这不仅会烧坏开关，甚至会危及工作人员的安全。因此，切断这类电源必须采用特制的安全开关。,电感线圈也是一个储能元件。经过高等数学推导，线圈中储存的磁场能量为,当线圈中通有电流时，线圈中就要储存磁场能量，通过线圈的电流越大，储存的能量就越多；在通有相同电流的线圈中，电感越大的线圈，储存的能量越多，因此线圈的电感也反映了它储存磁场能量的能力。,与电场能量相比，磁场能量和电场能量有许多相同的特点：,(,1,),磁场能量和电场能量在电路中的转化都是可逆的。例如，随着电流的增大，线圈的磁场增强，储入的磁场能量增多；随着电流的减小，磁场减弱，磁场能量通过电磁感应的作用，又转化为电能。因此，线圈和电容器一样是储能元件，而不是电阻类的耗能元件。,(,2,),磁场能量的计算公式，在形式上与电场能量的计算公式相同。,一、互感现象,二、互感系数,三、互感电动势,由于一个线圈的电流变化，导致另一个线圈产生感应电动势的现象，称为,互感现象,。在互感现象中产生的感应电动势，叫,互感电动势,。,如图,6-5,所示，,N,1,、,N,2,分别为两个线圈的匝数。当线圈,中有电流通过时，产生的自感磁通为,1,1,，自感磁链为,11,=,N,1,11,。,11,的一部分穿过了线圈,，这一部分磁通称为互感磁通,21,。同样，当线圈,通有电流时，它产生的自感磁通,22,有一部分穿过了线圈,，为互感磁通,12,。,图,6-5,互感,设磁通,21,穿过线圈,的所有各匝，则线圈,的互感磁链,由于,21,是线圈,中电流,i,1,产生的，因此,21,是,i,1,的函数，即,M,21,称为线圈,对线圈,的,互感系数,，简称,互感,。,21,=,N,2,21,21,=,M,21,i,1,同理，互感磁链,12,=,N,1,12,是由线圈,中的电流,i,2,产生，因此它是,i,2,的函数，即,可以证明，当只有两个线圈时，有,在国际单位制中，互感,M,的单位为亨利,(,H,),。,互感,M,取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和媒介质。当媒介质是非铁磁性物质时，,M,为常数。,12,=,M,12,i,21,设两个靠得很近的线圈，当第一个线圈的电流,i,1,发生变化时，将在第二个线圈中产生互感电动势,E,M,2,，根据电磁感应定律，可得,设两线圈的互感系数,M,为常数，将 代入上式，得,同理，当第二个线圈中电流,i,2,发生变化时，在第一个线圈中产生互感电动势,E,M,1,为,上式说明，线圈中的互感电动势，与互感系数和另一线圈中电流的变化率的乘积成正比。,互感电动势的方向，可用楞次定律来判断。,互感现象在电工和电子技术中应用非常广泛，如电源变压器，电流互感器、电压互感器和中周变压器等都是根据互感原理工作的。,一、涡流,二、磁屏蔽,把块状金属放在交变磁场中，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成回路，像水的旋涡，因此叫,涡电流,，简称,涡流,。,由于整块金属电阻很小，所以涡流很大，不可避免地使铁心发热，温度升高，引起材料绝缘性能下降，甚至破坏绝缘造成事故。铁心发热，还使一部分电能转换为热能白白浪费，这种电能损失叫,涡流损失,。,1,涡流,在电机、电器的铁心中，完全消除涡流是不可能的，但可以采取有效措施尽可能地减小涡流。为减小涡流损失，电机和变压器的铁心通常不用整块金属，而用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成。这样涡流被限制在狭窄的薄片内，回路电阻很大，涡流大为减小，从而使涡流损失大大降低。,铁心采用硅钢片，是因为这种钢比普通钢电阻率大，可以进一步减少涡流损失，硅钢片的涡流损失只有普通钢片的,1/5 1/4,。,2.,涡流的应用,在一些特殊场合，涡流也可以被利用，如可用于有色金属和特种合金的冶炼。利用涡流加热的电炉叫,高频感应炉,，它的主要结构是一个与大功率高频交流电源相接的线圈，被加热的金属就放在线圈中间的坩埚内，当线圈中通以强大的高频电流时，它的交变磁场在坩埚内的金属中产生强大的涡流，发出大量的热，使金属熔化。,1,磁屏蔽,在电子技术中，仪器中的变压器或其他线圈所产生的漏磁通，可能会影响某些器件的正常工作，出现干扰和自激，因此必须将这些器件屏蔽起来，使其免受外界磁场的影响，这种措施叫,磁屏蔽,。,2,方法,(,1,),利用软磁材料制成屏蔽罩，将需要屏蔽的器件放在罩内。常常用铜或铝等导电性能良好的金属制成屏蔽罩。,(,2,),将相邻的两个线圈互相垂直放置。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,