变化的磁场和变化的电场.ppt

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1、第十一章 变化的磁场和变化的电场,安徽大学出版社,ANHUI UNIVERSITY,大学物理学,111 电磁感应定律,112 动生电动势和感生电动势,113 自感和互感,第十一章 变化的磁场和变化的电场,114 磁场的能量,*115 电感和电容电路的暂态过程,116 位移电流,117 麦克斯韦方程,Michael Faraday(1791 1867)法拉第 伟大的英国物理学家和化学家,于1831年发现了电磁感应现象.他创造性的提出场的思想,磁场这一名称就是法拉第最早引入的,他是电磁理论的创始人之一.,法拉第用过的螺绕环,111 电磁感应定律,一、电磁感应现象,1831年法拉第首次发现,载流线圈

2、中电流发生变化时,处在附近的闭合回路中有感应电流产生.,实验一 当条形磁铁插入或拔出线圈回路时，在线圈回路中会产生电流；而当磁铁与线圈保持相对静止时，回路中不存在电流.,实验二 当闭合回路和载流线圈间没有相对运动，但载流线圈中电流发生变化时，同样可在回路产生电流.,实验三 将闭合回路置于恒定磁场中，当导体棒在导体轨道上滑行时，回路内出现了电流.,电磁感应实验的结论,不管什么原因使穿过闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化(增加或减少),回路中都会出现电流,这一现象称为电磁感应现象,电磁感应现象中产生的电流称为感应电流.,二、楞次定律,楞次(18041865)楞次出生在德国的Dorpat.俄国

3、物理学家和地球物理学家,1845年倡导组织了俄国地球物理学会.1836年至1865年任圣彼得堡大学教授,兼任海军和师范等院校物理学教授.,楞次定律 回路中感应电流的流向,总是使感应电流激发的穿过该回路的磁通量,反抗回路中原磁通量的变化.,三、感应电动势,感应电动势就是直接由电磁感应现象所引起的电动势.,法拉第电磁感应定律 不论任何原因,当穿过闭合导体回路所包围面积的磁通量 发生变化时,在回路中都会出现感应电动势,而且感应电动势的大小总是与磁通量对时间的变化率成正比.,单位:伏特(V),说明：1)N 匝线圈,令,磁通链数,电磁感应定律中的负号反映了感应电动势的方向与 磁通量变化状况的关系,是楞次

4、定律的数学表示.,线圈绕行方向,符号法则：,对回路L任取一绕行方向.当回路中的磁感线方向与回路的绕行方向成右手螺旋关系时,磁通量为正(+),反之为负(-).回路中的感应电动势方向凡与绕行方向一致时为正(+),反之为负(-).,解:建立坐标系Ox如图,例 一长直导线通以电流(I0 为常数).旁边有一个边长分别为 l1和 l2 的矩形线圈abcd与长直电流共面,ab边距长直电流 r.求线圈中的感应电动势.,112 动生电动势和感生电动势,一、动生电动势(motional electromotive force),根据法拉第电磁感应定律:只要穿过回路的磁通量发生了变化,在回路中就会有感应电动势产生.

5、,由,思考:非静电力场来源?,洛伦兹力,动生电动势,导线元,说明:1)洛伦兹力的作用并不是提供能量,而是传递能量.2)未形成回路的导体在磁场中运动,有动生电动势 但没有感应(动生)电流.3)导线切割磁感线时才产生动生电动势.,动生电动势的计算,1.定义求解：2.法拉第电磁感应定律求解：,若回路不闭合,需增加辅助线使其闭合.计算时只计大小,方向由楞次定律决定.,例 长为L的铜棒OA,绕其固定端O在均匀磁场 中以 角速度 逆时针转动,铜棒与 垂直,求动生电动势.,解:方法一 如图,取线元,其运动速度大小为,与 方向相同,方向,方法二 如图,构成扇形闭合回路AOCA,回路的磁通量为,方向,交流发电机

6、(alternator),周期,频率,二、感生电动势(induced electromotive force),导体回路不动,由于磁场变化产生的感应电动势.,麦克斯韦尔假设 变化的磁场在其周围空间激发一种电场,这个电场叫感生电场.,非静电力场来源?,感生电场,对于导线ab,对于闭合导体回路,根据法拉第电磁感应定律,可得,电磁场的基本方程之一：,三、感生电场(induced electric field),1)感生电场和静电场均对电荷有力的作用.,2)静电场是保守场,感生电场是非保守场.,3)静电场由电荷产生(有源场);感生电场是由变化的磁场产生(涡旋电场).,四、感生电动势的计算,1)若磁场在

7、空间分布具有对称性,在磁场中导体又不构成闭合回路,可先求出空间感生电场分布,再由定义式求出导体上的感生电动势.,2)若导体为闭合回路,或虽不闭合,但可通过辅助线构成闭合回路,这时可直接利用法拉第电磁感应式求解.,例 如图,有一局限在半径为R的圆柱状空间的均匀磁场,方向垂直纸面向里,磁场变化率 为常数且小于零,求距圆心O为r 处的P点的感生电场场强.,解:如图,作半径为r的圆形回路L沿顺时针方向,其法线方向垂直纸面向里,则,1),2),方向为顺时针方向,方向为顺时针方向,解:方法一 如图,取弓形abca为积分回路,绕行方向为顺时针,回路所围面积S 的法线方向垂直纸面向里,设 为abo的顶角,则,

8、例 如图,在半径为R的圆柱状空间的均匀磁场,且磁场变化率,有一长为l 的金属棒放在磁场中,位置如图,求棒两端的感生电动势.,而,方向,方法二 如图,取三角形abOa为积分回路,绕行方向为逆时针,回路所围面积S 的法线方向垂直纸面向外,则,方向,方法三 直接积分法,在ab上取线元,则,其与 的夹角为,则有,其中,方向,例 如图,在垂直纸面向内的非均匀的随时间变化的磁场 中,有一弯成角的金属框COD,OD与x轴重合,一导体棒MN沿x方向以速度v匀速向右滑动,设t=0 时x=0,求框内的感应电动势的变化规律.,解:在图中取面积元,则,式中,可以看出,金属框架上总的感应电动势包括第一项感生电动势和第二

9、项动生电动势.,五、电子感应加速器,电子感应加速器(induction electron accelerator)是利用涡旋电场加速电子以获得高能粒子的一种装置.,原理 在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室,当用交变电流励磁电磁铁时,在环形室内除了有磁场外,还会感生出很强的、同心环状的涡旋电场.用电子枪将电子注入环形室,电子在洛伦兹力的作用下,沿圆形轨道运动,在涡旋电场的作用下被加速.,1)直流电激励电磁铁 此时环行真空室中只有恒定的磁场，电子在室内只做匀速圆周运动(下页左图),2)交流电激励电磁 当激励电流增加时，真空室中既有磁场又有有旋电场，电子在其中得到加速.磁场变化越快,电子的加速越明

10、显.(上右图),两个问题 如何使电子在圆形轨道上被加速,而不致于被减速.2)如何使电子稳定在给定的圆轨道上.,六、涡电流(eddy current),大块导体处在变化的磁场中或在磁场中运动,在导体内部会产生感应电流,由于这种电流在导体内自成闭合回路,故称为涡电流.(实践中,有时可以利用,有时应予避免),1)热效应 大块导体的电阻很小，因此涡电流的电流强度可以很大,能释放出大量的焦耳热.应用:高频感应加热法冶炼,家用电磁炉;防护:铁芯采用矽钢片构成,隔断回路,增大电阻.,2)机械效应 电磁阻尼和电磁驱动.应用:电磁阻尼摆;磁性式车速表;感应式异步电动机.,3)趋肤效应 交流电路中,随着频率的增大

11、,由于涡电流的出现,会使电流趋向导体表面.改善:导体表面镀银以减小电阻;用彼此绝缘的许多细导线集束代替单一粗导线.,113 自感和互感,一、自感(self-inductance),当线圈中的电流发生变化时，它所激发的磁场穿过该线圈自身的磁通量也随之变化，从而在该线圈自身产生感应电动势的现象，称为自感现象，这样产生的感应电动势，称之为自感电动势.,自感系数(自感)单位:H(亨利),自感系数L取决于回路线圈自身的性质(回路大小、形状、周围介质等),自感电动势,如果回路自身性质不随时间变化，则：,1.负号:L总是阻碍 I 的变化;,2.L:描述线圈电磁惯性的大小.,注意,二、自感现象的应用和防止,1

12、.电器设备中，常利用线圈的自感起稳定电流的作用.例如，日光灯的镇流器就是一个带有铁芯的自感线圈.2.电工设备中，常利用自感作用制成自耦变压器或扼流圈.3.电子技术中，利用自感器和电容器可以组成谐振电路或滤波电路等.4.在具有相当大的自感和通有较大电流的电路中，当切断电源的瞬间，开关处将发生强大的火花,产生弧光放电现象，亦称电弧.因此通常都用油开关，即把开关放在绝缘性能良好的油里，以防止发生电弧.,1)设线圈通有电流 I;2)确定电流在线圈中产生的磁场及其分布.3)求通过线圈的全磁通.,自感系数的计算,解:螺线管中磁场为,例 长为l 的螺线管,横断面为S,线圈总匝数为N,管中磁介质的磁导率为.求

13、自感系数.,磁通量为,线圈体积,单位长度上线圈匝数,三、互感(mutual-inductance),如图两个载流回路相互地激起感应电动势的现象，称为互感现象.这样产生的感应电动势，称之为互感电动势.,穿过回路2的全磁通,穿过回路1的全磁通,互感系数(互感),单位:H(亨利),根据法拉第电磁感应定律：,若M保持不变,则：,互感系数本质：表征两耦合回路相互提供磁通量的强弱.,四、互感现象的应用和防止,互感在电工和电子技术中应用很广泛,通过互感线圈可以使能量或信号由一个线圈方便地传递到另一个线圈;利用互感现象的原理可制成变压器、感应圈等.但在有些情况中,互感也有害处.例如,有线电话往往由于两路电话线

14、之间的互感而有可能造成串音;收录机、电视机及电子设备中也会由于导线或部件间的互感而妨害正常工作.这些互感的干扰都要设法尽量避免.,解:设半径为r1的线圈中通有电流I1,则,例 有两个长度均为l,半径分别为r1和r2(r1r2),匝数分别为N1和N2的同轴长直密绕螺线管.求它们的互感.,则穿过半径为r2的线圈中的磁通为,代入可得,114 磁场的能量(magnetic energy),电源克服自感电动势而做功，所做的功转换为磁场的能量而暂时储存在自感线圈之中.,自感磁能,考虑均匀密绕螺线管,电容储存的电能,能量密度,磁场能量,解:由安培环路定律可求H,例 如图同轴电缆,中间充以磁介质,芯线与圆筒上

15、的电流大小相等、方向相反.已知,求单位长度同轴电缆的磁能和自感.设金属芯线内的磁场可略.,则,单位长度壳层体积,单位长度同轴电缆的磁场能量为,单位长度同轴电缆的自感为,恒定磁场的安培环路定理：,在非稳恒电流(如图RC电路)情况下：,对S1面,这种结果不满足电流连续性原理,麦克斯韦认为应该对第二式加以修正.,116 位移电流,对S2面,位移电流,一、位移电流,位移电流(displacement current)通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面的电位移通量的时间变化率.,位移电流密度(density of displacement current),二、全电流定律,对任何电路,全电流总是

16、连续的.为此,麦克斯韦将安培定理推广至非稳恒情况,说明：1)传导电流为电荷的定向运动，存在于导体之中;位移 电流由变化电场所激发，存在于变化电场的空间.2)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，位移电流不产生焦耳热.4)导体中的电流主要是传导电流,电介质中的电流主要 是位移电流.,解:1)电容器两极板间的位移电流为,例半径为R 的圆形平行板空气电容器，充电至使电容器两极板间电场的变化率为,如图所示,在某一时刻,电容器内距轴线r处的P点,有一电子沿径向向里作匀速直线运动,此时刻间的电场强度为,忽略重力及极板的边缘效应,求:1)极板间的位移电流;2)P点的磁感应强度;3)电子在P

17、点的速度大小.,由全电流的连续性知,电流的流向沿轴线向下.,2)Id 均匀分布,磁场具有对称性,为右螺旋同心圆.取半径为 r 的圆形环路积分,应用全电流定律：,方向垂直纸面向里.,3)电子在P点做匀速直线运动,所以作用在电子上的洛伦兹力与电场力相平衡,故：,方向向上.,方向向下.,解:1)设漏电电流为i,由等效放电电路图可得,例 电容为C,极板面积为S,板间距为d 的圆形平板电容器有漏电现象,两板间介质的电容率为,磁导率为,电导率为,充电到电压为 V0 和极板上带电q0 时,撤去电源,试计算:1)极板上的电量变化关系;2)位移电流;3)全电流;4)两板间的磁场.,即,代入得,放电时,代入得,积

18、分并代入初始条件 得:,2)板间电位移大小,于是得,3)传导电流即为漏电流,得,4)由全电流定律,解:1)如图作一半径为r平行于极板的圆形回路，通过此圆面积的电位移通量为,例 有一圆形平行平板电容器,.现对其充电,使电路上的传导电流,若略去边缘效应,求（1）两极板间半径 的圆面得位移电流;（2）两极板间离开轴线的距离为 的点P处的磁感强度.,代入数据得,2)由全电流安培环路定理式,得,代入数据得,117 麦克斯韦方程,麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家.经典电磁理论的奠基人,气体动理论创始人之一.他提出了有旋场和位移电流的概念,建立了经典电磁理论,并预言了以光速传播的电磁波的存在.在气

19、体动理论方面,他还提出了气体分子按速率分布的统计规律.,一、麦克斯韦方程组的积分形式,1865 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,他的主要贡献是提出了“涡旋电场”和“位移电流”两个假设,从而预言了电磁波的存在,并计算出电磁波的速度(即光速).,1)电场性质的说明.,静电场,涡旋电场,电荷和变化磁场共同产生的电场中,2)磁场性质的说明.,传导电流和位移电流共同建立的磁场中,3)变化电场和磁场的关系.,4)变化磁场和电场的关系.,静电场,涡旋电场,电荷和变化磁场共同产生的电场中,5)积分形式的麦克斯韦方程组.,*二、麦克斯韦方程组的微分形式,三、麦克斯韦方程组的意义,1)麦克斯韦方程组是对电磁场宏观规律的全面总结,建立了电磁场的数学形式，其中高斯定理方程描述了电磁场性质，而环路定律方程揭示了电场与磁场的关系,电场和磁场统一为电磁场理论.,2)麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在,电磁场可以在电荷、电流源之外的空间互相激发，从而可以脱离电荷、电流向外传播.,3)麦克斯韦方程组预言了光的电磁本性，由方程组可以解出电磁波在真空的传播速度为光速.,