电磁场理论的基本概念(电磁感应部分).ppt

第第 九九 章章 电电 磁磁 场场 理理 论论 的的 基基 本本 概概 念念§ § 9-1 9-1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律§ § 9-2 9-2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势 § § 9-3 9-3 自感现象和互感现象自感现象和互感现象§ § 9-4 9-4 磁场的能量磁场的能量第九章第九章 电磁场理论的基本概念电磁场理论的基本概念 （电磁感应部分）（电磁感应部分）1. 1. 掌握用法拉第定律和楞次定律计算感生电动掌握用法拉第定律和楞次定律计算感生电动势及方向；势及方向；2. 2. 理解感生电动势和动生电动势的产生原因；理解感生电动势和动生电动势的产生原因；3. 3. 了解自感与互感，能计算简单回路的了解自感与互感，能计算简单回路的L L，，MM；；4. 4. 能计算简单磁场的能计算简单磁场的WWmm教学要求：教学要求：一、电磁感应现象一、电磁感应现象1、K闭合和打开瞬间,电流计指针偏转2、ab左右滑动时,电流计指针偏转§ 9-1 法拉第电磁感应定律                          abGvBAKG磁场发磁场发 生变化生变化切割磁切割磁 感应线感应线几个典型实验：(1)(2)(3)(4)S NBvxABBA(5)当穿过一个闭合导体回路所包围的面积内的当穿过一个闭合导体回路所包围的面积内的磁通量发生变化时，在导体回路中就会产生感应磁通量发生变化时，在导体回路中就会产生感应电流，这种现象称为电流，这种现象称为电磁感应现象。

电磁感应现象B变：磁场变化ds变：线圈变形、切割磁感应线cosα变：线圈方位变化由磁通量计算式：由磁通量计算式：不 论都会引起 dΦm 变化B二、二、 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律电流形成的条件：（1）有可以移动的电荷，导体要形成回路2）有迫使电荷作定向运动的电场或在回路中有电动势 其中负号表示方向国际单位制中 比例系数取 1 其数学表达式为：法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：“ “无论什么原因使通过回路所包围的面积的磁通量发生无论什么原因使通过回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁感应通量对时间的变化时，回路中产生的感应电动势与磁感应通量对时间的 变化率的负值成正比变化率的负值成正比 ”为确定εi 的方向，先选定任一绕行方向为回路的正方向，并由右手螺旋法则确定回路的正法线方向nπ/2 ，则 Φm 取负再规定：若εi 为正，则表示其方向与选定的回路方向一致若εi 为负，则表示其方向与选定的回路方向相反例：如图，Φm为正，又εi 为负，方向与回路方向相反B若B与n 的夹角εiL如图，磁场B 与n 的夹角 >π/2 ， Φm 取负。

又：εi 为正，表示其方向与回路方向相同LB还是上面的例子，但重新选择回路绕行方向：εiεi 的实际方向仍与前面计算的结果相同另外，εi 的方向也可以用楞次定律来判断可由如下图式表述：感应电流磁通变化 磁场磁通产生反抗或阻止新的 产生楞次定律可另外表述为：“ “感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因 ”三、楞次定律三、楞次定律磁场变化感应电流 闭合回路中产生的感应电流具有确定的方向，总是使感应电流所产生的通过回路面积的磁通量，去补偿或反引起感应电流的磁通量的变化用法拉第电磁感应定律求出感应电动势εi 后，如果闭合回路的总电阻为R，则感应电流感应电流 I Ii i为为： 感应电流感应电流 I Ii i 的计算：的计算：BRI Ii i计算计算 t t1 1~ ~t t2 2时间内通过回路的感生电量：时间内通过回路的感生电量：设Ф1、Ф2分别是t1、t2时刻通过回路所包围面积的磁通量BRI Ii it1 ，Ф1BRI Ii it2 ，Ф2——通过导线截面的总电 量与磁通变化过程无关， 只与通量变化总量有关若线圈回路有N匝，则通过线圈的磁通量为 Ψ=NΦ（全磁通，或磁通全磁通，或磁通链链）。

此时，当磁通变化 时产生的感应电动势为：式中，负号表示方向例1、如图均匀磁场 B=0.1 T ，ad边长为L=10cm，向右滑动的速度为v=1m/s 求abcda回路中的感应电动势εi 的方向如图 感应电动势为解：通过abcda的磁通量为Φ=BS=BLx= -0.01BvxABabcd（1）因为磁场集中于环内，所以 通 过线圈A的磁通也是通过螺绕环截面S 的磁通即Φ=BS=μ0nIS 线圈A中的感应电动势为 例2：空心螺绕环n=5000匝/米，截面积S=2×10-3m2在环上再绕上一线圈A，A的匝数N=5，电阻R=2Ω螺绕环中电流每秒降低20A，求：（1）线圈A中产生的感应电动势εi及感生电流Ii 2）求2秒内通过线圈A的感生电量qi 解：螺绕环内磁场B=μ0nI=1.26×10-3（V）感生电流 = 6.3×10-4 （A）A （2）通过线圈A 的感生电量qi= 6.3×10-4 ×2= 1.26×10-3 （C）Δt = t2 – t1 = 2 s例、在通有电流 I= I0 cosωt 的长直导线旁有一金属线框，求线框中的感应电动势。

Ibadrdr解：先计算通过线框的磁通： 分析磁场分布特性，取如图的 面积元ds，计算相应的 dφm ：线框中的感应电动势为：§9–2 §9–2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势电动势电动势是反映电源性能的物理量定义为是反映电源性能的物理量定义为“ “把单把单位正电荷通过电源内部绕行闭合路径一周时位正电荷通过电源内部绕行闭合路径一周时非静非静 电力所作的功电力所作的功” ” + + + + + ++ + + + + +- - - - - - - - -- - - - - - - - - + +I I设单位正电荷所受到的非设单位正电荷所受到的非静电力为静电力为则电源的电动势为：则电源的电动势为：对如图的情况为：对如图的情况为：一、电动势的概念一、电动势的概念+ +- -当导体ab以速度v 运动时，导体内自由电子也以 v 运动，电子将受到洛仑兹力：二、二、 动生电动势：由洛仑兹力引起动生电动势：由洛仑兹力引起现在非静电力就是洛仑兹力现在非静电力就是洛仑兹力，非静电性场强为：因此ab段相当于电源 ——动动 生电动势：生电动势：＋abcdIabI若ab不与导体框接触，在洛仑兹力作用下，电子下移，b端将有电子堆积而带负电（电势低），a端将失去电子而带正电（电势高）。

当ab和导体框接触时，就有感应电流流过ab段相当于电源，a为正极，b为负极正极可以由 所指的方向确定，即由 的方向确定ab-+ + + +- - - - -1、当 时（如图）有∴ 讨论：一般情况下，动生电动势可写为：ab× × × ×× × × ×以上三种特例，导线ab不切割磁力线，不会产生动生电动势当θ1=0 或π ，或θ2=π/2时 都有εi=0如：2、设 的夹角为θ1 ， 的夹角为θ2 ，b a （1）（2）b a ω （3）b a 特例：例1、长为L的铜棒OA在均匀磁场中以O为转轴旋转，角速度为ω求棒中的感应电动势 εi 的方向由O→A A点电势高 解：方法一、用动生电动势公式求⊙ω O A方法二、用法拉第电磁感应定律求任意时刻棒扫过的面积的磁通为： ⊙ω O A方法三、用切割磁力线数求单位时间棒扫过的面积为 单位时间切割磁力线数为∴ ⊙ω O A例2、通电长直导线旁有一金属棒长l ，平行于导线以速度v运动。

一端距导线 a，求棒中感应电动势B a A BX Iv解：方法一：用动生电动势求εi 的方向由B→A A 端电势高动生电动势任取一段dx ，该处磁感应强度为dxxεi方法二：用切割磁力线数求 dx单位时间扫过的面积为ds=vdx切割的磁力线数为Bds=Bvdx整个棒单位时间切割的磁力线数，就是棒中感应电动势 ： B a A dxBX xIεiv方向由B → A感应电动势 通过S=yl 的磁通量为方法三：用法拉第电磁感应定律求设某时刻棒移动了y 的距离，则通过ds=ydx 的磁通量为B a A dxBX xIεivyεi=εab-εdc=0∵εad > εbc如果在长直导线周围不是棒而是线框，结果又如何？整个回路的感应电动势为 ∴εi=εad-εbc ≠ 0v a bcdω a dbcIa dbcv⊙abr1r2lωt2D在变化磁场的周围存在着感应电场，它起着提供非静电力产生感应电动势的作用而且，此感应电场的电力线是闭合的，称涡旋电场涡旋电场二、二、 感生电动势、涡旋电场感生电动势、涡旋电场由电动势的定义和法拉第电磁感应定律可知：（负号表示方向）其中，E′为涡旋电场。

当环路不变时可将微积分次序颠倒即：在自然界中存在着两种以不同方式激发的电场，所激发电场的性质也截然不同1. 1. 静电荷激发的电场静电荷激发的电场静止电荷所激发的电场是保守力场（无旋场），电场强度沿任一闭合回路的线积分恒等于零2 2. . 变化磁场激发的电场变化磁场激发的电场说明电场和磁场是相互联系的电场和磁场是相互联系的变化磁场激发的感生电场沿任一闭合回路的线积分一般不等于零总之：总之： 1）涡旋电场是变化的磁场激发的；2）感生电场不是保守力场，其电场线既无起点也无终点，永远是闭合的，象旋涡一样因此，通常把感生电场称为涡旋感生电场称为涡旋( (有旋有旋) )电场电场涡旋电场与静电场的区别：1、产生的原因不同（分别由电荷和变化的磁场激 发）2、电场线不同（一个不闭合，另一个闭合）3、环流不同（一个等于0，另一个不等于0 ）在变化磁场的周围必定有感应电场存在在变化磁场的周围必定有感应电场存在 ，不论是在真空中、介质中，还是在导体中一般情况下，要求出感应电场是困难的但是，在有些对称性的场的情况下，也可求出I例、半径为R的一无限长螺线管内各点dB/dt是常数当B增加时，求管内外的感应电场解：由于对称性，变化磁场所激发的涡旋电场的电力线是一组同心圆，在半径相同的圆周上，感应电场的大小相等。

选半径为r 的圆为环路，由于B在增加所以E′的方向如图1、当r R 时，此时仍有∴ E′∝r又∵0Rr E′B I L用曲线表示：圆外（ r > R）圆内（ r 0E’左 旋dB/dt 0例1、均匀磁场局限于圆内，按 dB/dt 匀变率增加在垂直于磁场方向上放一长为 l 的金属棒求棒两端的感生电动势解：A B r hαhεi 为负表示其方向与B的方向相反即εi 的方向由A→B→O→A 方法二、由法拉第电磁感应定律求解连接OA 、OB与AB构成一闭合回路则有：方向由A→B因为OA、OB 均垂直于E′、所以εOA=εOB= 0 Bo RhA B 例2、磁场局限于半径为 R 的圆内扇形线框 abcd 一部分在 圆内已知 dB/dt=4/π（T/s）匀变率增加，线框电阻为 4Ω求线框中的感应电动势及电流的大小和方向 解：方法一：用感应电场求解b点电位高已知 ：R = 0.2 m ob= 0.1 m oc = 0.3 m θ=π/6 。