電磁感應現(xiàn)象的基本原理(ppt 81頁).ppt

UNIVERSITYPHYSICS2 第十二章電磁感應 12 1非靜電力電源電動勢 12 2法拉第電磁感應定律 12 3動生電動勢 12 4感生電動勢渦旋電場 12 5自感和互感 12 6磁場的能量 1 掌握用法拉第定律計算感生電動勢及判斷方向 2 理解感生電動勢和動生電動勢的產生原因 3 理解渦旋電場與靜電場的區(qū)別 4 了解自感與互感 能計算簡單回路的L M 5 能計算簡單磁場的磁能Wm 教學要求 麥克爾 法拉第 1791 1867 英國物理學家 化學家 1831發(fā)現(xiàn)電磁感應定律 1834年發(fā)現(xiàn)電解定律 提出電場和磁場概念 還提出 電介質 電解質 離子 陰離子 陽離子 力線 陽極 陰極 電極 抗磁 順磁 導言 楞次 1804 1865 俄籍德國物理學家 1833年總結出楞次定理 它表明電磁現(xiàn)象也同樣遵守能量轉換和守恒定律 約瑟夫 亨利 1797 1878 美國物理學家 先于法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律 只是沒有及時發(fā)表 發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象 12 1非靜電力電源電動 1 非靜電力 圖中 A B為電容器極板 開始時 在電場力作用下 正電荷從A板經導線到了B板與負電荷中和 極板上的電荷減少 電勢差減小 很快達V 0 瞬間電流停止 結論 單靠靜電力不能維持穩(wěn)恒電流 為了維持電流 必須使到B板的正電荷經另一路徑回到A極 但靜電力是阻止正電荷從低電勢運動到高電勢 電源的作用 提供非靜電力把正電荷從低電勢的B極沿電源內部移到高電勢的A極 從而維持兩極電勢差 非靜電場 2 電動勢 把單位正電荷經電源內部繞行閉合回路一周時非靜電力所作的功定義為電源的電動勢 電動勢為標量 把電源內部電勢升高的方向規(guī)定為電動勢的方向 即從負極經電源內部指向正極的方向 12 2法拉第電磁感應定律 1 電磁感應現(xiàn)象 法拉第在1831年的8月29日用下面的這個儀器發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn) 電磁感應的演示實驗 日期 10 17 日期 10 1 導線在磁場中運動 只有當磁鐵和線圈兩者之間有相對運動時 一方必須相對另一方運動 回路里才會有電流出現(xiàn) 當相對運動停止時電流消失 在這個試驗中的感應電動勢和感應電流明顯是由于某種物質改變了而產生的 但是這里的某種物質到底是什么呢 法拉第知道 2 法拉第電磁感應定律 法拉第電磁感應定理 用實驗的術語來說就是 當穿過回路的磁場線 磁通量 數(shù)目發(fā)生變化時 回路 線圈 里會有感應電動勢 利用磁通量的概念 我們可以用更有用的方式即定量的方法來描述法拉第定理 正如你下面所看到的 感應電動勢與磁通量的改變在形式上是相反的 因此 法拉第定理的形式可以寫為 SI 負號表示相反 楞次定律 閉合回路中產生的感應電流具有確定的方向 總是使感應電流所產生的通過回路面積的磁通量 去補償或反抗引起感應電流的磁通量的變化 試用楞次定律判斷上例中感應電動勢和感應電流的方向 我們改變穿過線圈或者回路的磁通量的一般方法有 1 改變的大小 2 改變線圈或回路的面積 例如 拉寬線圈或將線圈由磁場中滑進滑出等 3 改變和線圈平面之間的夾角 例12 1 如圖所示 棒ab長為 沿兩平行的軌道以速度v在均勻的磁場中運動 求回路中的感應電動勢 解 1 選回路方向abcda 2 設t時刻da x 計算磁通量 3 應用法拉第定理 有 4 感應電動勢的大小為 方向 例12 2 如圖所示 棒ab長為 沿兩角形的軌道以速度v在均勻的磁場中運動 求回路中的感應電動勢 解 1 選回路方向abda 2 設t時刻da x 計算磁通量 3 應用法拉第定理 有 4 方向 例12 3 如圖所示 長直導線中通有 旁有一矩形線框靜止不動 兩長邊與直導線平行 求回路中的感應電動勢 解 1 選回路方向ABCDA 2 設t時刻的方向垂直于板面向里 計算磁通量 3 應用法拉第定理 有 4 方向 隨時間而變化 例12 4 如圖所示 回路電阻為R t1 t2時間穿過回路的磁通量由 1 2 求這段時間內穿過回路任一截面的感應電荷量 解 1 t時刻回路中的電動勢和電流為 2 dt時間內通過的電量 所以 基本步驟 選定回路方向 計算任意時刻的磁通量 應用法拉第定理求感應電動勢及其它 討論感應電動勢 或電流 的方向 1 導言 改變磁通量的方法 說明 為什么及其重要性 12 3動生電動勢 在運動的導體的情況下 非靜電力 在B變化 導體靜止的情況下 非靜電力 1861年 麥克斯韋 感應電場 2 動生電動勢 洛侖茲力 非靜電力 感應電動勢 1 對于導體AB上的感應電動勢 上面那個公式又可改寫為 2 如果AB沒有形成一個回路 這里也就不存在感應電流 注意 3 對導體AB 電荷堆積在AB兩端點 產生靜電場 平衡后 AB相當于電源 正負兩極的電勢差為 4 如果AB是直的 且如圖所示的為一個均勻磁場 就有 電勢要比電勢高 例12 5 例12 3 英文版 或31 2 中文版 解 1 選 o a 2 oa旋轉 其上各點的速度不同 取dr 有 3 oa上的動生電動勢為 4 的方向 o端的電勢高 a端的電勢高低 5 一般情況 例12 6 如圖 長直導線中通有電流I 旁有一直導體AB以速度運動 求AB中的動生電動勢 A和B哪點的電勢高 解 1 磁場非均勻 不隨時間變 導體運動 速度不變 2 選 取dr 有 3 AB上的動生電動勢 4 動生電動勢的大小為 方向 A點電勢高 12 4感生電動勢有旋電場 1 導言 變化的磁場 感應電流 非靜電力 試驗研究表明 導體不動 磁場變化 回路中的感應電動勢與組成回路的材料性質無關 只與磁場的變化相關 1861年 麥克斯維認為即使不存在導體回路 變化的磁場會在其周圍激發(fā)出一種場 變化的磁場產生一種電場 他把這種場稱為 感應電場或渦旋電場 這是麥克斯韋為統(tǒng)一電磁場理論作出的第一個重大假設 渦旋電場的特點 與靜電場的共同點就是對電荷有相互作用 渦旋電場不是由電荷激發(fā)的 而是由變化的電場所激發(fā) 渦旋電場的電力線是閉合的 不是保守場 2 感生電動勢 渦旋電場對電荷的作用力 就是產生感生電動勢的非靜電力 所以 回路上有渦旋電場 注意 1 對于導體運動磁場也變化的情況 電荷將同時受到洛侖茲力和渦旋電場的作用 感應電動勢由法拉第定理求出 電動勢 2 回路不動 磁場變化 如果回路由導體組成 存在感應電流 除與磁場的變化有關外 還決定于回路的電阻 如果不是導體回路 感生電動勢存在 沒有感應電流 沒有電流 3一個重要的例子 例13 8 中文書 均勻磁場B被局限在半徑為R的空間 磁場對時間的變化率為 求柱體內外的渦旋電場場強 解 1 對稱性分析 磁場對稱 渦旋電場對稱分布 2 如圖取回路 大小相等 方向沿切線方向 3 根據(jù)法拉第定理 因此 4 當 可得 方向 與相反 5 當 可得 6 曲線見右圖 7 方向 逆時針 順時針 方向 與相反 例12 9 均勻磁場B被局限在半徑為R的空間 磁場對時間的變化率為 如圖所示 求AB上的感生電動勢 解 1 如圖作輔助線OA和OB 組成回路OBAO 2 對回路OBAO 有 因為 為什么呢 所以 4 利用上題的結果 可有 3 因為 B端的電勢高 由同學們自己完成 5 通常 總結 通常 感應電動勢可以用以下三種方法來求 1 法拉第定理 2 在磁場不變的情況下 3 當導體是靜止時 4 渦電流 1 渦電流的產生 前面討論了變化的磁場要在回路中產生感應電流 對于大塊的金屬導體處在變化的磁場時 導體內也會產生感應電流 這種電流在金屬導體內形成閉合回路 稱為渦電流 2 渦電流的熱效應 根據(jù)電流的熱效應 可利用渦電流產生熱量 如工業(yè)中用的坩堝及電磁爐等 但變壓器等設備則要盡量降低渦電流產生的損耗 3 渦電流的電磁阻尼 如圖 根據(jù)楞次定律 磁場對渦電流的作用要阻礙擺的運動 故使擺受到一個阻尼力的作用 4 電子感應加速器 p143 p214 12 5自感和互感 1 自感 約瑟夫 亨利第一個發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象 這就稱為自感現(xiàn)象 I 磁場 變化 感應電動勢 如圖所示 磁場B正比于電流I t 磁通量也正比于電流I 這里 L稱為自感系數(shù)或自感 有法拉第定理 我們可得 如果L是常量 它遵循 說明L 物理意義 它的單位為亨利 用H SI 表示 如果電流增大 感應電場的方向與電流的方向相反 注意 2 如果電流減小 感應電場的方向與電流的方向一致 L取決于 回路的大小形狀及其周圍的介質 磁導率 2 3米 1 L通常是由試驗測量而得 2 對于特定的電路 回路 L可由理論的方法求得 設回路電流I 計算磁場B 求出磁通量 得到L 例12 10 課本上例12 6 解 1 設有電流I 則 2 計算通過一匝和N匝的磁通量 3 自感系數(shù) V是體積 a為半徑 如果橫截面為圓形 2 互感 如圖所示 線圈1上變化的電流引起了線圈2上磁通的變化從而產生感應電動勢 這種感應電動勢成為互感電動勢 鄰近回路電流變化引起感應電動勢的現(xiàn)象 產生的感應電動勢稱為互感電動勢 且 我們有 可以從實驗上證明 稱M為互感系數(shù) 如果M是常數(shù) 我們可以改寫法拉第定理為 注意 1 M越大 兩個線圈的 感應 越大 2 體現(xiàn)作用與反作用的關系 3 M與兩線圈的幾何形狀 相對位置 周圍的磁介質有關 4 M 一般實驗測量 特殊情況 可理論計算 設某線圈中有電流I 產生磁場 計算在另一線圈中的磁通量 根據(jù)公式 求出互感系數(shù) 例12 11 如圖 求長直導線與導線框之間的互感系數(shù) 解 1 設直導線中有電流I1 2 I1產生磁場 3 導線框中的磁通量 4 互感系數(shù) 課本上例12 8 12 6磁場的能量 1 R L電路 如圖所示 此回路由一個電動勢為 的電源 電阻R 電感L組成 解釋這個實驗結果 1 接通 燈泡沒有馬上亮起來 2 切斷 燈泡沒有馬上就熄滅 在燈泡熄滅前更亮的閃了一下 為什么 問題 切斷以后使燈泡還亮著的能量來自何處 答案 這個能量是由儲存在螺旋管 自感L 內的磁場轉化過來的 能量 磁場 能量守恒定理 自感為L的線圈載流為I時所儲存的磁能 自感線圈中儲存的磁能 t時刻 即 兩邊同乘Idt dq 得 假設在t 0時 I 0 在t t0時 電流達到I0 可得 電源供給的總能量 R上消耗的能量 即焦耳熱 反抗自感電動勢電源所作的