变化的电场和磁场.pptx
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1、电电 流流磁磁 场场电磁感应电磁感应感应电流感应电流 1831年法拉第年法拉第闭合回路闭合回路变化变化实验实验产生产生产产 生生?问题的提出问题的提出一一 .法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律18201820年年 :奥斯特实验:电奥斯特实验:电 磁磁1821 1821 1831 1831年:法拉第实验:磁年:法拉第实验:磁 电电对称性对称性FaradayFaraday1791-18671791-1867法拉第是著名的自学成才的英国科学家。法拉第是著名的自学成才的英国科学家。生于贫苦铁匠家庭。仅上过小学,生于贫苦铁匠家庭。仅上过小学,1313岁便在岁便在书店里当学徒。后来受到化学家戴维的赏识,
2、书店里当学徒。后来受到化学家戴维的赏识,踏上科学研究道路。主要从事电学、磁学、踏上科学研究道路。主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究,并在这些领域磁光学、电化学方面的研究,并在这些领域取得了一系列重大发现。在取得了一系列重大发现。在18311831年发现了电年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现,使人磁感应定律。这一划时代的伟大发现,使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法,成为现代发电机、电动能相互转变的方法,成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。机、变压器技术的基础。12-1 电磁感应的基本定律电磁感应的基本定律1、磁
3、棒插入或抽出线圈时,线磁棒插入或抽出线圈时,线圈中产生感生电流圈中产生感生电流;2、放在稳恒磁场中的导线框,一边导线运放在稳恒磁场中的导线框,一边导线运动时线框中有电流。动时线框中有电流。R12Gm4、两个位置固定的相两个位置固定的相互靠近的线圈,当其中互靠近的线圈,当其中一个线圈上电流发生变一个线圈上电流发生变化时,也会在另一个线化时,也会在另一个线圈内引起电流;圈内引起电流;3、线圈在磁场中转动时,线圈在磁场中转动时,线圈中产生感生电流;线圈中产生感生电流;电动势电动势形成形成产产生生通过一个闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时,通过一个闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时,不管这种变
4、化是由什么原因引起的,回路中就有电流产生,不管这种变化是由什么原因引起的,回路中就有电流产生,这种现象称为这种现象称为电磁感应现象电磁感应现象。感应电流感应电流:由于通过回路中的磁通量发生变化,而在回:由于通过回路中的磁通量发生变化,而在回路中产生的电流。路中产生的电流。感应电动势感应电动势:由于磁通量的变化而产生的电动势叫感应:由于磁通量的变化而产生的电动势叫感应电动势。电动势。二、二、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律单位单位:1V=1Wb/s 与与 L 反向反向 与与L 同向同向2、电动势方向、电动势方向:1、内容:、内容:当穿过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时,不论这种当穿过闭合
5、回路所包围面积的磁通量发生变化时,不论这种变化是什么原因引起的,回路中都有感应电动势产生,并且变化是什么原因引起的,回路中都有感应电动势产生,并且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。负号表示感应电动势负号表示感应电动势总是反抗磁通的变化总是反抗磁通的变化当当B B随时间增大随时间增大磁通链数磁通链数:3、讨论:、讨论:若有若有N匝线圈,它们彼此串联,总电动势等于各匝线圈所产生匝线圈,它们彼此串联,总电动势等于各匝线圈所产生的电动势之和。令每匝的磁通量为的电动势之和。令每匝的磁通量为 1、2、3 若每匝磁通量相同若每匝磁通量相同闭合回路中的闭合回路
6、中的感应电流感应电流感应电量感应电量t1时刻磁通量为时刻磁通量为1,t2时刻磁通量为时刻磁通量为2回路中的感应电量只与磁通量的变化有关,而与回路中的感应电量只与磁通量的变化有关,而与磁通量的变化率无关。磁通量的变化率无关。用途:测磁通计。用途:测磁通计。二、楞次定律二、楞次定律 (判断感应电流方向判断感应电流方向)感应电流的感应电流的效果效果反抗引起感应电流的反抗引起感应电流的原因原因导线运动导线运动感应电流感应电流阻碍阻碍产生产生磁通量变化磁通量变化感应电流感应电流产生产生阻碍阻碍闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场来阻止或补偿引起感应
7、电流的磁通量的变化。磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。判断感应电流的方向:判断感应电流的方向:1、判明穿过闭合回路内原磁场、判明穿过闭合回路内原磁场 的方向;的方向;2、根据原磁通量的变化、根据原磁通量的变化 ,按照楞次定律的要求确定感按照楞次定律的要求确定感 应电流的磁场的方向;应电流的磁场的方向;3、按右手法则由感应电流磁场的、按右手法则由感应电流磁场的 方向来确定感应电流的方向。方向来确定感应电流的方向。例例:无限长直导线无限长直导线共面矩形线圈共面矩形线圈求求:已知已知:解解:在无限长直载流导线旁有相同大小的四个在无限长直载流导线旁有相同大小的四个矩形线圈,分别作如图所示的运
8、动。矩形线圈,分别作如图所示的运动。判断回路中是否有感应电流。判断回路中是否有感应电流。思思 考考两类实验现象两类实验现象感生电动势感生电动势动生电动势动生电动势产生原因、产生原因、规律不相同规律不相同都遵从电磁感应定律都遵从电磁感应定律磁场分布不变,导线或线圈在磁场中运动磁场分布不变,导线或线圈在磁场中运动感应电动势感应电动势导线或线圈不动,磁场发生变化导线或线圈不动,磁场发生变化非静电力非静电力动生电动势动生电动势G?一、动生电动势的非静电力一、动生电动势的非静电力 动生电动势是由于导体或导体回路在恒定磁场动生电动势是由于导体或导体回路在恒定磁场中运动而产生的电动势。中运动而产生的电动势。
9、产生产生12-2 动生电动势动生电动势+动生电动势的成因动生电动势的成因导线内每个自由电子导线内每个自由电子受到的洛仑兹力为受到的洛仑兹力为它驱使电子沿导线由它驱使电子沿导线由a向向b移动。移动。由于洛仑兹力的作用使由于洛仑兹力的作用使 b 端出现过剩负电荷,端出现过剩负电荷,a 端出现过剩正电荷端出现过剩正电荷。非静电力非静电力电子受的静电力电子受的静电力 平衡时平衡时此时电荷积累停止,此时电荷积累停止,ab两端形成稳定的电势差。两端形成稳定的电势差。洛仑兹力洛仑兹力是产生动生电动势的根本原因是产生动生电动势的根本原因.方向方向ab在导线内部产生静电场在导线内部产生静电场+动生电动势产生过程
10、中的能量转换动生电动势产生过程中的能量转换每个电子受的洛仑兹力每个电子受的洛仑兹力洛仑兹力对电子做功的代数和为零洛仑兹力对电子做功的代数和为零对电子做正功对电子做正功反抗外力做功反抗外力做功结论:结论:洛仑兹力的作用并不提供能量,而只是传递能量,洛仑兹力的作用并不提供能量,而只是传递能量,即外力克服洛仑兹力的一个分量即外力克服洛仑兹力的一个分量 f,m所做的功,通过另一个所做的功,通过另一个分量分量 fm转换为动生电流的能量。实质上表示能量的转换和转换为动生电流的能量。实质上表示能量的转换和守恒。守恒。由电动势定义由电动势定义运动导线运动导线ab产生的动生电动势为产生的动生电动势为动生电动势的
11、公式动生电动势的公式非静电力非静电力定义定义 为非静电场强为非静电场强均匀磁场均匀磁场非均匀磁场非均匀磁场计计算算动动生生电电动动势势分分 类类方方 法法平动平动转动转动例例 已知已知:求求:+L 均匀磁场均匀磁场 平动平动解:解:+L 典型结论典型结论特例特例+均匀磁场均匀磁场 闭合线圈平动闭合线圈平动例例 有一半圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁有一半圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁 力线运动。力线运动。已知:已知:求:动生电动势。求:动生电动势。+R作辅助线,形成闭合回路作辅助线,形成闭合回路方向:方向:解:解:方法一方法一+例例 有一半圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁有一半圆形金属导线在
12、匀强磁场中作切割磁 力线运动。力线运动。已知:已知:求:动生电动势。求:动生电动势。解:解:方法二方法二+R方向:方向:均匀磁场均匀磁场 转动转动例例 如图,长为如图,长为L的铜棒在磁感应强度为的铜棒在磁感应强度为的均匀磁场中,以角速度的均匀磁场中,以角速度绕绕O轴转动。轴转动。求:棒中感应电动势的大小和方向。求:棒中感应电动势的大小和方向。l ld dl lOOa a解:解:方法一方法一 l ld dl lOOa a动生电动势方向:动生电动势方向:动生电动势方向:动生电动势方向:a a OO方法二方法二作辅助线,形成闭合回路作辅助线,形成闭合回路OACO符号表示方向沿符号表示方向沿AOCA
13、OC、CA段没有动生电动势段没有动生电动势问问题题把铜棒换成金属圆盘,把铜棒换成金属圆盘,中心和边缘之间的电动势是多少?中心和边缘之间的电动势是多少?l ld dl lOOa a例例 一直导线一直导线CD在一无限长直电流磁场中作在一无限长直电流磁场中作 切割磁力线运动。求:动生电动势。切割磁力线运动。求:动生电动势。abIl解:解:方法一方法一方向方向非均匀磁场非均匀磁场方法二方法二abI作辅助线,形成闭合回路作辅助线,形成闭合回路CDEF方向方向思考思考abI做法对吗?做法对吗?12-3 感生电动势和感生电场感生电动势和感生电场1、感生电动势、感生电动势由于磁场发生变化而由于磁场发生变化而激
14、发的电动势激发的电动势电磁感应电磁感应非静电力非静电力洛仑兹力洛仑兹力感生电动势感生电动势动生电动势动生电动势非静电力非静电力2、麦克斯韦假设麦克斯韦假设:变化的磁场变化的磁场在其周围空间会激发一种涡旋状的电场,在其周围空间会激发一种涡旋状的电场,称为称为涡旋电场涡旋电场或或感生电场感生电场。记作。记作 或或非静电力非静电力感生电动势感生电动势感生电场力感生电场力由法拉第电磁感应定律由法拉第电磁感应定律由电动势的定义由电动势的定义讨论讨论 2)S 是以是以 L 为边界的任一曲面。为边界的任一曲面。的法线方向应选得与曲线的法线方向应选得与曲线 L的积分方向成右手螺旋关系的积分方向成右手螺旋关系是
15、曲面上的任一面元上磁感应强度的变化率是曲面上的任一面元上磁感应强度的变化率1)此式反映变化磁场和感生电场的相互关系,此式反映变化磁场和感生电场的相互关系,即感生电场是由变化的磁场产生的。即感生电场是由变化的磁场产生的。不是积分回路线元上的磁感应强度的变化率不是积分回路线元上的磁感应强度的变化率与与构成左旋关系。构成左旋关系。3)由静止电荷产生由静止电荷产生由变化磁场产生由变化磁场产生线是线是“有头有尾有头有尾”的,的,是一组闭合曲线是一组闭合曲线起于正电荷而终于负电荷起于正电荷而终于负电荷线是线是“无头无尾无头无尾”的的感生电场(涡旋电场)感生电场(涡旋电场)静电场(库仑场)静电场(库仑场)具
16、有电能、对电荷有作用力具有电能、对电荷有作用力具有电能、对电荷有作用力具有电能、对电荷有作用力动生电动势动生电动势感生电动势感生电动势特特点点磁场不变,闭合电路磁场不变,闭合电路的整体或局部在磁场的整体或局部在磁场中运动导致回路中磁中运动导致回路中磁通量的变化通量的变化闭合回路的任何部分闭合回路的任何部分都不动,空间磁场发都不动,空间磁场发生变化导致回路中磁生变化导致回路中磁通量变化通量变化原原因因由于由于S的变化引起的变化引起回路中回路中 m变化变化非静非静电力电力来源来源感生电场力感生电场力洛仑兹力洛仑兹力由于由于 的变化引起的变化引起回路中回路中 m变化变化感生电动势的计算感生电动势的计
17、算(两种方法)(两种方法)1.1.由电动势定义求(由电动势定义求(已知或易求已知或易求 )或或2.2.由法拉第定律求由法拉第定律求若导体不闭合,需加辅助线构成闭合回路若导体不闭合,需加辅助线构成闭合回路 .R RO Oa ab b R RO O r ra ab bO OR Rl lR RO Oa ab b 讨论讨论讨论讨论CD导体存在时,导体存在时,电动势的方向由电动势的方向由C指向指向D加圆弧连成闭合回路加圆弧连成闭合回路 矛盾?矛盾?12123由楞次定理知:感生电流的由楞次定理知:感生电流的方向是逆时针方向方向是逆时针方向.4 1和和 4 的大小不同,说明感生电场不是位场,的大小不同,说明
18、感生电场不是位场,其作功与路径有关其作功与路径有关的方向逆时针的方向逆时针D 4C1练习:练习:求:求:各边各边等腰梯形边长等腰梯形边长已知:已知:半径半径解:解:连接连接半径半径取三角形回路取三角形回路取三角形回路取三角形回路梯形回路梯形回路逆时针方向逆时针方向练习练习求杆两端的感应电动势的大小和方向求杆两端的感应电动势的大小和方向当磁场发生变化时,当磁场发生变化时,两极间任意闭合回两极间任意闭合回路的磁通发生变化,路的磁通发生变化,激起感生电场,电激起感生电场,电子在感生电场的作子在感生电场的作用下被加速,电子用下被加速,电子在在Lorentz力作用力作用下将在环形室内沿下将在环形室内沿圆
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