大學物理2第12章電磁感應詳解ppt課件

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第十章,,,,,電磁感應,1,電 流,磁 場,電磁感應,感應電流,1831年法拉第,問題的提出,2,10-1 電磁感應定律,,一.法拉第電磁感應定律,,3,當回路 1中電流 發(fā)生變化時，在回路 2中出現(xiàn)感應電流。,,,,4,1、產(chǎn)生感應電流的四種情況,1、磁棒插入或抽出線圈時，線圈中產(chǎn)生感生電流； 2、通有電流的線圈替代上述磁棒，線圈中產(chǎn)生感生電流； 3、 兩個位置固定的相互靠近的線圈，當其中一個線圈上電流發(fā)生變化時，也會在另一個線圈內引起電流； 4、放在穩(wěn)恒磁場中的導線框，一邊導線運動時線框中有電流。,感應電流與原電流本身無關， 而是與原電流的變化有關。,電磁感應,5,,,,,,,,電動勢,,形成,產(chǎn)生,,當通過回路的磁通量變化時，回路中就會產(chǎn)生感應電動勢。,2.線圈內磁場變化,1.導線或線圈在磁場中運動,6,導體回路中產(chǎn)生的感應電動勢的大小，與穿過導體回路的磁通量對時間的變化率成正比。,感應電動勢大小,2、電磁感應定律,7,在t1到t2時間間隔內通過導線任一截面的感應電量,對N匝線圈,— 磁通鏈,感應電流,8,二、楞次定律 (判斷感應電流方向),感應電流的效果反抗引起感應電流的原因,導線運動,感應電流,磁通量變化,感應電流,,,,,,,閉合回路中感應電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來阻止或補償引起感應電流的磁通量的變化。,9,判斷感應電流的方向：,,,,,,,,,,,10,,,,,,,,,,,,,,解:,11,,,,,思 考,12,線圈內磁場變化,兩類實驗現(xiàn)象,感生電動勢,動生電動勢,產(chǎn)生原因、規(guī)律不相同,,都遵從電磁感應定律,導線或線圈在磁場中運動,感應電動勢,13,非靜電力,動生電動勢,?,一、動生電動勢,動生電動勢是由于導體或導體回路在恒定磁場中運動而產(chǎn)生的電動勢。,10-2 動生電動勢與感生電動勢,14,動生電動勢的成因,導線內每個自由電子 受到的洛侖茲力為,它驅使電子沿導線由a向b移動。,,由于洛侖茲力的作用使 b 端出現(xiàn)過剩負電荷， a 端出現(xiàn)過剩正電荷 。,15,電子受的靜電力,平衡時,此時電荷積累停止，ab兩端形成穩(wěn)定的電勢差。,洛侖茲力是產(chǎn)生動生電動勢的根本原因.,方向a?b,在導線內部產(chǎn)生靜電場,,16,由電動勢定義,運動導線ab產(chǎn)生的動生電動勢為,動生電動勢的公式,非靜電力,定義 為非靜電場強,17,一般情況,上的動生電動勢,整個導線L上的動生電動勢,導線是曲線 , 磁場為非均勻場。,導線上各長度元 上的速度 、 各不相同,18,計算動生電動勢,19,,,均勻磁場 平動,解：,20,21,均勻磁場 閉合線圈平動,,,22,例 有一半圓形金屬導線在勻強磁場中作切割磁 力線運動。已知：,求：動生電動勢。,,,,,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,,R,,作輔助線，形成閉合回路,方向：,解：方法一,23,+,,,,例 有一半圓形金屬導線在勻強磁場中作切割磁 力線運動。已知：,求：動生電動勢。,解：方法二,,,,,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,,R,,方向：,24,均勻磁場 轉動,例 如圖，長為L的銅棒在磁感應強度為,的均勻磁場中，以角速度,繞O軸轉動。,求：棒中感應電動勢的大小 和方向。,,,25,,解：方法一,取微元,方向,26,,,方法二,作輔助線，形成閉合回路OACO,符號表示方向沿AOCA,OC、CA段沒有動生電動勢,問題,把銅棒換成金屬圓盤， 中心和邊緣之間的電動勢是多少？,27,,例 一直導線CD在一無限長直電流磁場中作 切割磁力線運動。求：動生電動勢。,,,,,,,,,a,b,,I,,解：方法一,方向,非均勻磁場,28,方法二,,,,,,,,,a,b,,I,作輔助線，形成閉合回路CDEF,方向,,29,思考,做法對嗎？,30,二、感生電動勢和感生電場,1、感生電動勢 由于磁場發(fā)生變化而激發(fā)的電動勢,電磁感應,,31,2、 麥克斯韋假設： 變化的磁場在其周圍空間會激發(fā)一種渦旋狀的電場， 稱為渦旋電場或感生電場。記作 或,非靜電力,感生電動勢,,感生電場力,由法拉第電磁感應定律,由電動勢的定義,32,討論,2） S 是以 L 為邊界的任一曲面。,的法線方向應選得與曲線 L的積分方向成右手螺旋關系,是曲面上的任一面元上磁感應強度的變化率,1） 此式反映變化磁場和感生電場的相互關系， 即感生電場是由變化的磁場產(chǎn)生的。,不是積分回路線元上的磁感應強度的變化率,33,34,,感生電場電力線,35,,,36,37,,3、感生電場的計算,例1 局限于半徑 R 的圓柱形空間內分布有均勻磁場， 方向如圖。磁場的變化率,求： 圓柱內、外的 分布。,,,方向： 逆時針方向,38,與 L 積分方向切向同向,與 L 積分方向切向相反,39,,在圓柱體外，由于B=0,由圖可知，這個圓面積包括柱體內部分的面積，而柱體內,,,,,,40,方向：逆時針方向,,,,,,41,,42,二、 渦電流（渦流）,大塊的金屬在磁場中運動，或處在變化的磁場中，金屬內部也要產(chǎn)生感應電流，這種電流在金屬內部自成閉合回路，稱為渦電流或渦流。,趨膚效應——渦電流或渦流這種交變電流集中于導體表面的效應。,43,渦電流的熱效應,利用渦電流進行加熱,利,,1、冶煉難熔金屬及特種合金 2、家用 如：電磁灶 3、電磁阻尼,弊,熱效應過強、溫度過高， 易破壞絕緣，損耗電能，還可能造成事故,減少渦流：,1、選擇高阻值材料 2、多片鐵芯組合,44,L——自感系數(shù)，單位：亨利（H）,一、自感,由于回路自身電流、回路的形狀、或回路周圍的磁介質發(fā)生變化時，穿過該回路自身的磁通量隨之改變，從而在回路中產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象。,1.自感現(xiàn)象,10-4 自感應 互感應,45,1) L的意義：,自感系數(shù)與自感電動勢,自感系數(shù)在數(shù)值上等于回路中通過單位電流 時，通過自身回路所包圍面積的磁通鏈數(shù)。,若 I = 1 A，則,L的計算,2)自感電動勢,若回路幾何形狀、尺寸不變，周圍介質的磁導率不變,46,討論:,2. L的存在總是阻礙電流的變化，所以自感電動勢是反抗電流的變化,而不是反抗電流本身。,47,自感的計算步驟：,,,,,例1 、 試計算長直螺線管的自感。 已知：匝數(shù)N,橫截面積S,長度l ,磁導率?,48,49,二. 互感應,2、互感系數(shù)與互感電動勢,1) 互感系數(shù)(M),,,因兩個載流線圈中電流變化而在對方線圈中激起感應電動勢的現(xiàn)象稱為互感應現(xiàn)象。,1、互感現(xiàn)象,若兩回路幾何形狀、尺寸及相對位置不變， 周圍無鐵磁性物質。實驗指出：,50,實驗和理論都可以證明：,2）互感電動勢：,互感系數(shù)和兩回路的幾何形狀、尺寸，它們 的相對位置，以及周圍介質的磁導率有關。,互感系數(shù)的大小反映了兩個線圈磁場的相互 影響程度。,51,互感系數(shù)在數(shù)值上等于當?shù)诙€回路電流變化 率為每秒一安培時，在第一個回路所產(chǎn)生的互感電 動勢的大小。,互感系數(shù)的物理意義,52,自感線圈的串聯(lián),53,例1 有兩個直長螺線管，它們繞在同一個圓柱面上。 已知：?0、N1 、N2 、l 、S 求：互感系數(shù),,54,稱K 為耦合系數(shù),耦合系數(shù)的大小反映了兩個回路磁場耦合松緊的程度。由于在一般情況下都有漏磁通，所以耦合系數(shù)小于一。,在此例中，線圈1的磁通全部通過線圈2，稱為無漏磁。,在一般情況下,55,例2. 如圖所示,在磁導率為?的均勻無限大磁介質中, 一無限長直載流導線與矩形線圈一邊相距為a,線圈共 N匝,其尺寸見圖示,求它們的互感系數(shù).,解:設直導線中通有自下而上的電流I,它通過矩形線圈的磁通鏈數(shù)為,互感為,互感系數(shù)僅取決于兩回路的形狀, 相對位置,磁介質的磁導率．,56,考察在開關合上后的一段時間內，電路中的電流滋長過程：,由全電路歐姆定律,10-5 磁場能量,一、自感磁能,57,計算自感系數(shù)可歸納為三種方法,1.靜態(tài)法:,2.動態(tài)法:,3.能量法:,58,二、磁場能量,將兩相鄰線圈分別與電源相連，在通電過程中,電源所做功,線圈中產(chǎn)生焦耳熱,反抗自感 電動勢做功,反抗互感 電動勢做功,1、互感磁能,59,2、磁場的能量,磁場能量密度：單位體積中儲存的磁場能量 wm,螺線管特例：,任意磁場,60,例 如圖.求同軸傳輸線之磁能及自感系數(shù),可得同軸電纜的自感系數(shù)為,61,§13.2 電磁感應定律,一、電磁感應現(xiàn)象,靜電場、穩(wěn)恒電流的磁場,不隨時間而變化,如果隨時間而變化,什么現(xiàn)象？、什么規(guī)律？,,,三個實驗現(xiàn)象,,當穿過一個閉合導體回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時（不論這種變化是由什么原因引起的），在回路中就有電流產(chǎn)生——該現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象。,產(chǎn)生的電流稱為感應電流,相應的電動勢為感應電動勢。,結論：,62,二、法拉第電磁感應定律,法拉第電磁感應定律：,通過回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中就有感應電動勢產(chǎn)生，而感應電動勢正比于磁通量的對時間變化率的負值。,,,(1) 若回路是 N 匝密繞線圈,(2) 若閉合回路中電阻為R,(3)感應電荷為,討論：,磁通鏈數(shù),63,,1.由法拉第電磁感應定律判定,,,,,三、楞次定律,2.楞次定律,確定感應電動勢方向的方法：,步驟:,a.先任意規(guī)定一個方向為回路的正方向，且回路所圍面積的正法線與其構成右手螺旋；,,b.確定磁通量的正負,c.由法拉第電磁感應定律確定感應電動勢的方向,若為正，則與回路正向一致，若為負，則相反。,閉合回路中感應電流的方向，總是使它所產(chǎn)生的磁場去反抗引起感應電流的原來磁通量的變化。,,,,,,,,,反抗Φ變化,,,64,