电磁感应定律课件.pptVIP

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本文导读目录：

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　　电磁感应 A. 电磁感应现象 （－）发现电磁感应现象的背景 1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够产生磁场——电流的磁效应，揭示了电和磁之间存在着联系，受到这一发现的启发，人们开始考虑这样一个问题：既然电流能够产生磁场，反过来，利用磁场是不是能够产生电流呢？不少科学家进行了这方面的探索，英国科学家法拉第，坚信电与磁有密切的联系．经过10年坚持不懈的努力，于1831年终于取得了重大的突破，发现了利用磁场产生电流的条件． （二）用实验方法研究产生感应电流的条件 实验1： 归纳：闭合电路的一部分导体做切割磁感线的运动时，电路中就有电流产生． 理解“导体做切割磁感线运动”的含义：切割磁感线的运动，就是导体运动速度的方向和磁感线方向不平行． 问：导体不动，磁场动，会不会在电路中产生电流呢？ 实验2： 注意：条形磁铁插入、拔出时，弯曲的磁感线被切割，电路中有感应电流． 观察实验并概括：无论是导体运动，还是磁场运动，只要导体和磁场之间发生切割磁感线的相对运动，闭合电路中就有电流产生． 问：闭合电路的一部分导体切割磁感线时，穿过电路的磁感线条数发生变化．如果导体和磁场不发生相对运动，而让穿过闭合电路的磁场发生变化，会不会在电路中产生电流呢？ 实验3： 线圈电路接通、断开； 滑动变阻器滑动片左、右滑动． 观察实验现象，分析上述现象的物理过程：因为电流所激发的磁场的磁感应强度B总是正比于电流强度I，即B∝I．电路的闭合或断开控制了电流从无到有或从有到无的变化；变阻器是通过改变电阻来改变电流的大小的，电流的变化必将引起闭合电路磁场的变化，穿过闭合电路的磁感线条数的变化——磁通量发生变化，闭合电路中产生电流． 不论是导体做切割磁感线的运动，还是磁场发生变化，实质上都是引起穿过闭合电路的磁通量发生变化． 综上所述，总结出： 1．不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生．这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应现象，产生的电流叫感应电流． 2．产生感应电流的条件． （1）电路必须闭合； （2）磁通量发生变化． 磁通量发生变化的因素： 由 Φ=B· S sinθ可知：当①磁感应强度B发生变化；②线圈的面积S发生变化；③磁感应强度B与面积S之间的夹角θ发生变化．这三种情况都可以引起磁通量发生变化． 3．举例． （1）闭合电路的一部分导体切割磁感线： （2）磁场不变，闭合电路的面积变化： （3）线圈面积不变，线圈在不均匀磁场中运动： （4）线圈面积不变，磁场不断变化： （三）课堂小结 产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化．这里关键要注意“闭合”与“变化”两词．就是说在闭合电路中有磁通量穿过但不变化，即使磁场很强，磁通量很大，也不会产生感应电流．当然电路不闭合，电流也不可能产生． 练习： 1 判断下列情况下，穿过线圈的磁通量原来如何？如何变化？有无感应电流？ 2．下列说法是否正确？ （A）有穿过电路的磁通量，电路中就一定有感应电流， （B）有穿过闭合电路的磁通量，电路中就一定有感应电流， （C）要闭合电路中有感应电流，必须电路本身在磁场中， （D）要闭合电路中有感应电流，必须电路内有磁场发生变化。 作业： 1．表示同一矩形线框在不同磁场中运动的情况如图所示，能产生感应电流的是哪些？ 2．如图，闭合圆导线环置于长直通电导线周围，当切断长直导线中的电流时，在圆环中能产生感应电流的是哪些？ 3．如图所示，一有限范围的匀强磁场宽度为d，若将一边长为L的正方形导线框以速度v匀速地通过磁场区域，从前面一边进入磁场到后面一边出磁场期间，求： （1）当d＞L时导线框中无感应电流的时间 （2）当d＜L时导线框中无感应电流的时间。 B 感应电流的方向 右手定则 复习提问： 1．什么是电磁感应现象？谁首先发现了电磁感应现象？ 2．产生感应电流的条件是什么？下列说法是否正确？ （A）导体所在处没有磁场，导体内就不可能产生感应电流， （B）线圈内有磁通量，线圈中必有感应电流， （C）穿过线圈的磁通量发生变化时，线圈内必有感应电流， （D）闭合线圈所在处磁场发生变化时，线圈内必有感应电流， （E）一段导线在磁场内运动时，导线内必有感应电流， （F）一段导线在磁场内做切割磁感线运动时，导线内必有感应电流。 （一）感应电动势： 电路中有电流，必须要有电源，即有电动势，可见切割磁感线运动的这段导体就相当于一个电源，能产生电动势，称之为感应电动势。 电源中必须有一种移送电荷的力，这里就是磁场力，在垂直纸面向里的匀强磁场中导体向右运动时，导体中的自由电荷（电子）定向运动，相当于有向左的电流，磁场对它有向下的磁场力，因而导体下端积聚了多余的电子而带负电，上端缺少电子而带正电，上端相当于电源的正极，　　平行板电容器的电容 代入上式,可得同样结果. (2)由位移电流密度的定义 或者 (3)因为电容器内? I = 0,且磁场分布应具有轴对称性,由全电流定律得 三、电磁场基本方程 对于静电场和稳恒磁场,其基本规律为: 静电场 稳恒磁场 变 静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用于一般电磁场. 电磁场的基本规律——麦克斯韦方程组 积分形式 微分形式 对于各向同性介质 有旋电场和位移电流假设指出了变化磁场要产生有旋电场,变化电场要激发有旋磁场,电场和磁场是互相联系的整体。 麦克斯韦电磁场理论是物理学上一次重大的突破,预言了电磁波的存在. 爱因斯坦在一次纪念麦克斯韦的诞辰时所说的: 这“…是牛顿以来物理学上经历的最深刻和最有成果的一次变革.” 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. * * dr 二. 互感应 2. 互感系数与互感电动势 1) 互感系数(M) 因两个载流线圈中电流变化而在对方线圈中激起感应电动势的现象。 1. 互感现象 若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变， 周围无铁磁性物质。实验指出： Φ 12 I 2 I 1 Φ 21 实验和理论都证明： Φ N 1 Φ 12 = M I 2 = Ψ 12 N 2 21 = M I 1 = Ψ 21 若两线圈的匝数分别为 则有： Φ 12 I 2 I 1 Φ 21 Ψ = = d d t d d t M I ε 12 12 2 Ψ = = d d t d d t M I ε 21 21 1 2）互感电动势： ( A) 互感系数和两回路的几何形状、尺寸，它们 的相对位置，以及周围介质的磁导率有关。 讨 论 ( B) 互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互 影响程度。 Φ 12 I 2 I 1 Φ 21 若 则有： 在式 中， (C) 互感系数的物理意义： 2）“—”号表示在一线圈中激起的 要反抗另一线圈中电流的变化。 3）可实现电能的无接触转移。 1）M是表示互感强弱或两回路耦合程度的物理量,M越大,在另一回路中激起的 越大。 [例1] 有两个直长螺线管绕在同一个圆柱面上 求：互感系数 S l N 2 N 1 μ 0 已知： 称K 为耦合系数 耦合系数的大小反映了两个回路磁场耦合松紧的程度。由于在一般情况下都有漏磁通，所以耦合系数小于1。 此例中线圈1的磁通全部通过线圈2称为无漏磁. 一般情况下： 例2. 如图所示在磁导率为?的均匀无限大磁介质中,一无限长直载流导线与矩形线圈一边相距为a,线圈共N匝,其尺寸见图示,求它们的互感系数. 设直导线中通有自下而上的电流I,它通过矩形 线圈的磁通链数为 解: 互感为: 互感系数仅取决于两回路的形状,相对位置及介质的磁导率． I dr 上题中，若如图b放置,M又为多少? I l 图b 由B的对称性得： M与相对位置有关。 3.感生电动势 感生电场 1.电磁感应定律 2. 动生电动势 4.自感应 I L Ψ = B Ψ L N Ψ = . d B = S 5.互感应 (无漏磁) 作 业: 8-3 8-5 8-17 8-18 8-22 8-5 磁场的能量 磁场能量密度 电场具有能量,磁场呢？ 能量完全消耗在电阻上 热能 2、RL电路 K未闭合时:线圈中没有磁场 1、纯电阻电路 R 2 K + - + - 1 K闭合:打向 1 回路中电流 I:0 I 阻止螺线管中磁场建立,电源能量的一部分用来克服 作功，一部分消耗在电阻R上 研究 I 时的能量变化 ——电源供给能量 ——消耗在电阻R上的焦耳热 R 2 K + - + - 1 —磁场的能量,单位J。 —电源克服 作功转化为磁场能量 对螺线管： 磁场中任一点的磁能密度 各向同性介质 说明: (2)任何磁场都具有能量,其能量存在于磁场分布的整个体积之中. (1)对任意磁场,上式皆适用。 磁场中任一点的磁能密度 对匀强磁场： 计算自感系数可有三种方法: 1.静态法: 2.动态法: 3.能量法: 例1.同轴电缆,求芯线与圆桶间单位长度磁能及自感系数L。 dr r 解:电缆外部:B=0 芯线内部:B=0 r处： d r r l 1 R 2 R 单位长度体积： r处： dr r 8-6 位移电流 电磁场基本方程 电磁之间有一定联系—电磁场统一理论 1820年奥斯特 1831年法拉第 1865年麦克斯韦的两个假设 电 磁 产生 磁 电 产生 涡旋电场 位移电流 变化的磁场 变化的电场 电场　　电磁感应定律 1.1 电磁感应现象 1、几个演示实验 实验一 * 实验二 实验三 以上三个实验得到：不管用什么方法、只要使线圈A处的磁场发生变化，线圈A中就会产生感应电流。 * 实验四 实验四的结论：把感应电流的起因只归结成磁场变化的认识，是不够完全的 结论：当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电流。这也就是产生感应电流的条件 * 1.2 电动势 在有电阻的回路中维持恒定电流，不能只靠静电力 静电场的基本性质 除了在超导体中，要维持恒定电流，必须有非静电力 用 表示作用在单位正电荷上的非静电力 在能够形成恒定电流的闭合回路L里，非静电力沿L移动电荷必定作功，即 * 电动势的定义 非静电场力的上述环路积分为该闭合回路里的电动势，并记作E 电动势的单位（在国际电位制中） 伏特（V） 说明 电动势的概念不限于闭合电路，它所驱动的电流也不一定是恒定的。甚至于在没有导体的地方，也可以用此式来定义一个电动势 感应电动势的定义 由于磁通量的变化而引起的电动势 感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的本质。当回路不闭合的时候，也会发生电磁感应现象，这时并没有感应电流，而感应电动势却仍然存在。 结论 当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电动势。 * 1.3 法拉第定律 设时刻 穿过导线回路的磁通量是 设时刻 穿过导线回路的磁通量是 内穿过回路的磁通量的变化是 磁通量的变化率 反映了磁通量变化的快慢和趋势。 法拉第电磁感应定律 导体回路中感应电动势E 的大小与穿过回路磁通量的变化率成正比 * 如果的单位用Wb，时间单位用s，E的单位用V,则k=1 对于多匝线圈 ——磁通匝链数或全磁通 如果穿过每匝线圈的磁通量相同 * 例题1 (P156) 如图3-5，磁感应强度为B＝1000Gs的均匀磁场垂直纸面向里，一矩形导体线框ABCD平放在纸面内，线框CD边可以沿着AD和BC边滑动。设CD边的长度为l＝l0cm，向右滑动的速度为v＝1.0m/s.求线框中感应电动势的大小。 * 解 设BC之间的距离为s，通过线框ABCD的磁通量为 带入数据得 例题2(P157) 把磁棒的一极用1.5s的时间由线圈的顶部一直 插到底部。在这段时间内穿过每一匝线圈的磁通量改变了5.0x10-5Wb，线圈的匝数为60，求线圈中感应电动势的大小。若闭合回路的总电阻为800欧姆，求感应电流的大小。 * 感应电动势的方向问题 先标定回路的绕行方向和回路边界所围曲面的法线方向n。回路的绕行方向和法线方向n之间符合右手定则 确定 、 的正负，利用 确定感应电动势的方向 * 在任何情况下，而且无论回路的绕行方向怎样选择，感应电动势的正负总是与磁通量变化率的正负相反。 * 1.4 楞次定律 楞次定律内容 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引起感应电流的磁通量的变化(增加或减少). 用楞次定律判断感应电流方向的步骤 (1)判明穿过闭合回路的磁通量沿什么方向，发生什么变化(增加还是减少) (2)根据楞次定律来确定感应电流所激发的磁场沿何方向〔与原来的磁场反向还是同向〕 (3)根据右手定则从感应电流产生的磁场方向确定感应电流的方向 用楞次定律判断例题1（p156）感应电流方向 * * 楞次定律的另一种表述 感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。 感应电流只有按照楞次定律所规定的方向流动才能符合能量守恒定律——感应电流在闭合回路中流动时将释放焦耳热。根据能量守恒和转化定律，这部分热只可能从其它形式的能量转化而来。 说明 效果 感应电流所激起的磁场 感应电流出现而引起的机械作用 原因 磁通量的变化 引起磁通量变化的相对运动 回路的形变 * 1.5 涡电流和电磁阻尼 涡电流——大块金属处于变化磁场中或在磁场中运动时，其中产生的感应电流呈涡旋状 大块金属电阻小，涡电流大，释放大量热量 * 高频感应炉的结构及原理 利用涡流加热的优点 无接触加热 把金属和坩埚等放在真空室加热，可以使金属不受玷污，并且不致在高温下氧化 加热的效率高，速度快 涡流的有害之处——产生涡流损耗 *

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