5.电磁感应+电磁场.ppt

1付淑英2024/5/25 周六5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2 2/37/37上一页下一页本章作业本章作业P。1295-15-25-45-102024/5/25 周六5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3 3/37/37上一页下一页2024/5/25 周六5.1 5.1 电磁感应定律电磁感应定律 英国物理学家和化学家，英国物理学家和化学家，电磁理论的创始人之一电磁理论的创始人之一.他创造性地提出场的思想，他创造性地提出场的思想，最早引入磁场这一名称最早引入磁场这一名称.1831年发现电磁感应现象，后又相年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，及光的偏振面在性和顺磁性，及光的偏振面在磁场中的旋转磁场中的旋转.法拉第法拉第（Michael Faraday,17911867）5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节4 4/37/37上一页下一页2024/5/25 周六一一 电磁感应现象电磁感应现象5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节5 5/37/37上一页下一页2024/5/25 周六二二 电磁感应定律电磁感应定律 当穿过闭合回路所围当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，回路中会产生感应电动势，且感应电动势正比于磁通且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值量对时间变化率的负值.国际单位制国际单位制韦伯韦伯伏特伏特5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节6 6/37/37上一页下一页2024/5/25 周六（1）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 磁通匝数（磁链）磁通匝数（磁链）（2）若闭合回路的电阻为若闭合回路的电阻为 R，感应电流为，感应电流为5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节7 7/37/37上一页下一页2024/5/25 周六NS三三 楞次定律楞次定律 闭合的导线回闭合的导线回路中所出现的感应路中所出现的感应电流，总是使它自电流，总是使它自己所激发的磁场反己所激发的磁场反抗任何引发电磁感抗任何引发电磁感应的原因（反抗相应的原因（反抗相对运动、磁场变化对运动、磁场变化或线圈变形等）或线圈变形等）.5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节8 8/37/37上一页下一页2024/5/25 周六NS用楞次定律判断感应电流方向NS5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节9 9/37/37上一页下一页2024/5/25 周六【例例1 1】在匀强磁场中，置有面积为在匀强磁场中，置有面积为 S 的可绕的可绕 轴转轴转动的动的N 匝线圈匝线圈.若线圈以角速度若线圈以角速度 作匀速转动作匀速转动.求求线线圈中的感应电动势圈中的感应电动势.解：解：设设 时时,与与 同向同向,则则令令则则正弦交流电正弦交流电5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1010/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 【例例2】一长直导线载有一长直导线载有 I0 的电流，旁边有一与它共的电流，旁边有一与它共面的矩形线圈面的矩形线圈 abcd，边长分别为，边长分别为 l1、l2，若它正以速，若它正以速度度 离开直导线，求线圈中感应电动势的大小和方向。离开直导线，求线圈中感应电动势的大小和方向。I0al1dcbil2【解法一解法一】先判断感应电动势的方向。先判断感应电动势的方向。由楞次定律判定感应电流由楞次定律判定感应电流 i 的的方向为方向为 abcda，即，即顺时针顺时针.+长直载流导线在矩形线圈长直载流导线在矩形线圈所在区域激发的磁场，是一个所在区域激发的磁场，是一个垂直于纸面垂直于纸面向里向里的非均匀磁场，的非均匀磁场，磁感应强度的大小为磁感应强度的大小为5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1111/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 下面求感应电动势的大小。下面求感应电动势的大小。设在任意时刻设在任意时刻 t，线圈的，线圈的ab离长直导线的距离为离长直导线的距离为 x，则，则cd 边离直导线的距离为边离直导线的距离为 (x+l2)。线圈内的磁通量为。线圈内的磁通量为由于在由于在 ab 方向各点磁场大小相等，所以取面元方向各点磁场大小相等，所以取面元 dS 如图中阴影所示，如图中阴影所示，dS=l1dx。面元法线方向面元法线方向取为垂直于纸面向内的磁感应线方向，所以取为垂直于纸面向内的磁感应线方向，所以I0axx+l2dcbdSl1l2积分范围为线圈所围的面积积分范围为线圈所围的面积5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1212/37/37上一页下一页2024/5/25 周六四四 电源的电动势电源的电动势5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1313/37/37上一页下一页2024/5/25 周六电源 电源内部，“非静电力”作功，把电荷从电势能低的一端移到电势能高的一端，把其他形式的能量转变成电能。电动势：电源把单位正电荷经 内电路从负极移到正极的过程中，非静电力所作的功。定义式：作用：通过内部电荷的移动，保持外电路电场 的存在。单位：/，即（伏特）电源：提供非静电力的装置.5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1414/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 非静电力 :能不断分离正负电荷使正电荷逆静电场方向运动.定义非静电场强+BA因非静电场仅存在于电源内部，即电源外部回路 ：故：即电源电动势等于非静电场场强 沿整个闭合回路的环流。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1515/37/37上一页下一页2024/5/25 周六反映电源作功能力，与外电路无关是有方向的标量，规定其方向为电源内部负极指向正极。(与电流的流向一致)与电压相反：关于电源的电动势：关于电源的电动势：电源的电动势 和内阻 *正极负极电源+_计算式：5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1616/37/37上一页下一页5.2 5.2 动生电动势动生电动势 感生电动势感生电动势2024/5/25 周六 （1）稳恒磁场中的导体运动稳恒磁场中的导体运动，或者回路面积，或者回路面积变化、取向变化变化、取向变化 动生电动势；动生电动势；（2）导体不动，磁场变化导体不动，磁场变化 感生电动势；感生电动势；讨论引起磁通量变化的原因：讨论引起磁通量变化的原因：法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 （3）导体动，磁场也变导体动，磁场也变 感生电动势感生电动势+动生电动势。动生电动势。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1717/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 OP一一 动生电动势动生电动势产生动生电动势的产生动生电动势的非非静电力场来源静电力场来源 洛伦兹力洛伦兹力-复习：电动势定义复习：电动势定义导体导体OP在磁场中以速度在磁场中以速度 向右运动时：向右运动时：-+OP相当于电源（相当于电源（O负负P正）正）若若 为匀强磁场，为匀强磁场，OP 杆长为杆长为 ：5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1818/37/37上一页下一页2024/5/25 周六解解 根据楞次定律，判断感根据楞次定律，判断感应电动势的方向为应电动势的方向为 例例3 一长为一长为 的铜棒在磁感强度为的铜棒在磁感强度为 的均的均匀磁场中，以角速度匀磁场中，以角速度 在与磁场方向垂直的平面在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端转动，上绕棒的一端转动，求求铜棒两端的感应电动势铜棒两端的感应电动势.OPO P 距距o为为 l 处，取线元处，取线元 ：即即 方向确为方向确为 O P。P 点的电势比点的电势比 O 点高。点高。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节1919/37/37上一页下一页2024/5/25 周六I0al1dcbil2【解法二解法二】此为动生电动势。此为动生电动势。+因仅因仅 ab、cd 两边切割磁感线，所以两边切割磁感线，所以只有这两边有动生电动势产生，方向只有这两边有动生电动势产生，方向都向上都向上总电动势为顺时针方向。总电动势为顺时针方向。xx+l2 【再解例再解例2】长直导线载有长直导线载有 电流电流I0，旁边有一与它共，旁边有一与它共面的矩形线圈面的矩形线圈 abcd，边长分别为，边长分别为 l1、l2，若它正以速，若它正以速度度 离开直导线，求线圈中感应电动势的大小和方向。离开直导线，求线圈中感应电动势的大小和方向。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2020/37/37上一页下一页2024/5/25 周六二二 感生电动势感生电动势导体不动，仅磁场变化产生导体不动，仅磁场变化产生产生感生电动势的非静电场产生感生电动势的非静电场 感生电场。感生电场。麦克斯韦假设麦克斯韦假设 变化的磁场在其周围空间激发一变化的磁场在其周围空间激发一种电场种电场感生电场感生电场 （非静电场）（非静电场）.结合法拉第电磁感应定律，结合法拉第电磁感应定律，得闭合回路中的感生电动势得闭合回路中的感生电动势复习：电动势定义复习：电动势定义5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2121/37/37上一页下一页2024/5/25 周六感生感生电场电场静静电场电场非非保守场保守场保守场保守场由变化的磁场由变化的磁场产生产生由电荷产生由电荷产生感生电场和静电场的感生电场和静电场的对比对比5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2222/37/37上一页下一页5.3 5.3 自感应与互感应自感应与互感应2024/5/25 周六一一 自感自感1.自感现象自感现象 自自感感现现象象K 闭闭合的瞬合的瞬间间，S2灯灯渐渐渐渐亮，最后亮，最后I1=I2 K 断开的瞬断开的瞬间间，I2 I1,S2灯猛一亮后灯猛一亮后渐渐熄熄5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2323/37/37上一页下一页2.2.自感自感2024/5/25 周六I （自身回路）（自身回路）I当线圈中的电流发生变化，在线圈当线圈中的电流发生变化，在线圈自身自身自身自身中产生的电动势中产生的电动势自感自感自感自感电动势电动势 若线圈有若线圈有 N 匝：匝：磁通匝数磁通匝数自感自感 无铁磁质时，自感仅与线圈形状、无铁磁质时，自感仅与线圈形状、磁介质及匝数磁介质及匝数 N 有关有关.注意注意单位：亨利（单位：亨利（H）5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2424/37/37上一页下一页2024/5/25 周六3.自感电动势自感电动势 当当时，时，自感自感电磁惯性电磁惯性 5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2525/37/37上一页下一页2024/5/25 周六解解 先设电流先设电流 I 根据安培环路定理求得根据安培环路定理求得 B 例例1 如图的长直密绕螺线管，已知如图的长直密绕螺线管，已知 求求其自感其自感 （忽略边缘效应）（忽略边缘效应）.自感的应用：自感的应用：稳流稳流，LC 谐振电路，谐振电路，滤波电路，感应圈等。滤波电路，感应圈等。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2626/37/37上一页下一页2024/5/25 周六二二 互感应互感应 通过一个线圈的电流发生变化时，在通过一个线圈的电流发生变化时，在另一个另一个另一个另一个线圈线圈中产生感应电动势和感应电流的现象，叫互感现象。中产生感应电动势和感应电流的现象，叫互感现象。在在 电流回路电流回路(2)中所产生的磁通量中所产生的磁通量 在在 电流回路电流回路(1)中所产生的磁通量中所产生的磁通量 21 当当I1(I2)变化，则回变化，则回路路2(1)中将产生感应中将产生感应电动势和感应电流。电动势和感应电流。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2727/37/37上一页下一页2024/5/25 周六1 互感系数互感系数 注意注意 互感仅与两个线圈形状、大小、匝数、互感仅与两个线圈形状、大小、匝数、相对位置以及周围的相对位置以及周围的磁介质有关磁介质有关.注意：注意：2 互感电动势互感电动势 5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2828/37/37上一页下一页5.4 5.4 磁场的能量磁场的能量2024/5/25 周六一一 自感磁能自感磁能回路电回路电阻所放阻所放出的焦出的焦耳热耳热电电源源作作的的功功电源反电源反抗自感抗自感电动势电动势作的功作的功5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节2929/37/37上一页下一页2024/5/25 周六二二 磁场能量磁场能量磁场能量密度磁场能量密度 磁场能量磁场能量以自感线圈为例：以自感线圈为例：5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3030/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 例例 同轴电缆同轴电缆中间充以磁介质，芯线与圆筒上的电中间充以磁介质，芯线与圆筒上的电流大小相等、方向相反流大小相等、方向相反.已知已知 ，求求单位长单位长度同轴电缆的磁能和自感度同轴电缆的磁能和自感.设金属芯线内的磁场可略设金属芯线内的磁场可略.解解 由安培环路定律可求由安培环路定律可求 H 则则 :5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3131/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 单位长度壳层单位长度壳层体积体积:5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3232/37/37上一页下一页5.5 5.5 麦克斯韦电磁场理论简介麦克斯韦电磁场理论简介2024/5/25 周六 经典电磁理论的奠基人，经典电磁理论的奠基人，气体动理论创始人之一气体动理论创始人之一.提提出了有旋电场和位移电流的出了有旋电场和位移电流的概念，建立了经典电磁理论，概念，建立了经典电磁理论，预言了以光速传播的电磁波预言了以光速传播的电磁波的存在的存在.在气体动理论方面，在气体动理论方面，提出了气体分子按速率分布提出了气体分子按速率分布的统计规律的统计规律.麦克斯韦麦克斯韦（18311879）英国物理学家）英国物理学家5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3333/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 1865 年麦克斯韦在总结前人工作的基础年麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是提出了提出了“有旋电场有旋电场”和和“位移电流位移电流”两个假设，两个假设，从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度（即速度（即光速光速）.(真空真空中中 )1888 年赫兹的实验证实了他的预言，麦克斯年赫兹的实验证实了他的预言，麦克斯韦理论奠定了经典电动力学的基础，为无线电技韦理论奠定了经典电动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景.5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3434/37/37上一页下一页2024/5/25 周六一一 位移电流位移电流+-IcC以以 L 为边做任意曲面为边做任意曲面 S1：稳恒磁场中，稳恒磁场中，安培环路定理：安培环路定理：仍仍以以 L 为为边边再再做做 S2：矛矛盾盾电容器放电过程电容器放电过程稳恒磁场的安培环路定理已稳恒磁场的安培环路定理已不适用不适用于非稳恒电流的电路于非稳恒电流的电路矛盾原因：非稳定情况下矛盾原因：非稳定情况下电流不再连续电流不再连续。解决方法：引入位移电流解决方法：引入位移电流I Id d 使电流使电流“连续连续”。5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3535/37/37上一页下一页2024/5/25 周六 麦克斯韦假设麦克斯韦假设 电场中某电场中某一点位移电流密度等于该点电一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率位移矢量对时间的变化率.+-IcIcAB 位移电流位移电流 位移电流密度位移电流密度 5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3636/37/37上一页下一页2024/5/25 周六（1）全电流是连续的；全电流是连续的；（2）位移电流和传导电流一样激发磁场；位移电流和传导电流一样激发磁场；（3）传导电流产生焦耳热，位移电流不产传导电流产生焦耳热，位移电流不产生焦耳热生焦耳热.+-全电流全电流二二 全电流定律全电流定律 位移电流位移电流 5第第5章章 电磁感应电磁感应 电磁场电磁场 付淑英付淑英第第1节节第第5节节第第4节节第第3节节第第2节节3737/37/37上一页下一页2024/5/25 周六三三 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(积分式积分式)稳恒稳恒磁场高斯定理磁场高斯定理 稳恒磁场稳恒磁场安培环路定理安培环路定理 静电场环流定理静电场环流定理 静电场高斯定理静电场高斯定理（1）有旋电场有旋电场麦克斯韦麦克斯韦假设假设:（2）位移电流位移电流