大学物理D-07电磁感应ppt课件.ppt
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1、大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 法法 拉拉 第第1大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 产生产生作用作用产生产生?法拉第电磁感应定律动生电动势、感生电动势自感互感麦克斯韦的两条假设涡旋电场位移电流经典电磁理论的基本方程磁场能量知识结构知识结构2大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 一一 掌握掌握并能熟练应用法拉第电磁感应定律和并
2、能熟练应用法拉第电磁感应定律和楞次定律来计算感应电动势,并判明其方向楞次定律来计算感应电动势,并判明其方向.二二 理解理解动生电动势和感生电动势的本质动生电动势和感生电动势的本质.了了解有旋电场的概念解有旋电场的概念.三三 了解了解自感和互感的现象自感和互感的现象,会计算几何形状会计算几何形状简单的导体的自感和互感简单的导体的自感和互感.四四 了解了解磁场具有能量和磁能密度的概念磁场具有能量和磁能密度的概念,会会计算均匀磁场和对称磁场的能量计算均匀磁场和对称磁场的能量.教学基本要求教学基本要求教学基本要求教学基本要求3大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断
3、,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去教学重点教学重点教学重点教学重点掌握磁通量的计算和法拉第电磁感应定律掌握磁通量的计算和法拉第电磁感应定律的应用。的应用。熟练掌握动生电动势的计算,理解涡电流熟练掌握动生电动势的计算,理解涡电流的应用和危害。的应用和危害。4大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 7.1 电磁感应定律电磁感应定律7.1.0电磁感应现象电磁感应现象结论:结论:当穿过一个闭合导体回路所围面积的磁通量发生变当穿过一个闭合导体回路所围面积的磁通量发生变化时,不管这种变化是由于什么原因所引起
4、的,回化时,不管这种变化是由于什么原因所引起的,回路中就有电流。这种现象叫做电磁感应现象。路中就有电流。这种现象叫做电磁感应现象。回路中所出现的电流叫做感应电流回路中所出现的电流叫做感应电流电磁感应电磁感应swf由于磁通由于磁通量的变化量的变化而引起的而引起的电动势,电动势,叫做感应叫做感应电动势电动势5大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 法拉第法拉第(Michael Faraday,1791-1867),伟大的英国物理学),伟大的英国物理学家和化学家家和化学家.他创造性地提出场的他创造性地提出场的思想,
5、磁场这一名称是法拉第最思想,磁场这一名称是法拉第最早引入的早引入的.他是电磁理论的创始人他是电磁理论的创始人之一,于之一,于1831年发现电磁感应现年发现电磁感应现象,后又相继发现电解定律,物象,后又相继发现电解定律,物质的抗磁性和顺磁性,以及光的质的抗磁性和顺磁性,以及光的偏振面在磁场中的旋转偏振面在磁场中的旋转.6大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 当穿过闭合回路所围当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,面积的磁通量发生变化时,回路中会产生感应电动势,回路中会产生感应电动势,且感应电动势正比于磁通
6、且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值量对时间变化率的负值.7.1.1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律国际单位制中国际单位制中 k=1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单位单位:1V=1Wb/sSwf-27大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去NS+匀速匀速8大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 1)闭合回路由)闭合回路由 N 匝密绕线圈组成匝密绕线圈组成 磁通匝数(磁链)磁
7、通匝数(磁链)2)若闭合回路的电阻为)若闭合回路的电阻为 R,感应电流为,感应电流为时间内,流过回路的电荷时间内,流过回路的电荷9大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 说明:说明:中负号的物理意义中负号的物理意义规定:规定:感应电动势方向与回路的绕行方向一致感应电动势方向与回路的绕行方向一致 ;相;相反时,反时,。回路的绕行方向与回路的正法线方向回路的绕行方向与回路的正法线方向 成右手螺旋成右手螺旋关系;关系;即,式中负号可依上述规定判断即,式中负号可依上述规定判断 的方向,是楞次定的方向,是楞次定律的数学
8、表达式。律的数学表达式。举例说明:举例说明:回路绕行方向回路绕行方向10大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 11大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 楞次楞次(1804-1865)(1804-1865):生于德国的俄国物理学家和地球:生于德国的俄国物理学家和地球物理学家。于物理学家。于18331833年年1111月发表了含有后来被称为楞次月发表了含有后来被称为楞次定律的论文,文中提出了一个能确定感应电流、感应定律的论文
9、,文中提出了一个能确定感应电流、感应电动势方向的规则电动势方向的规则(即楞次定律即楞次定律)。7.1.2 楞次定律楞次定律NS叙述:叙述:闭合回路中感应电闭合回路中感应电流的方向总是企图使感应流的方向总是企图使感应电流本身所产生的通过回电流本身所产生的通过回路面积的磁通量,去补偿路面积的磁通量,去补偿或者阻碍引起感应电流的或者阻碍引起感应电流的磁通量的变化。磁通量的变化。说明:说明:楞次定律看上去似乎楞次定律看上去似乎感感应电流有自己的主观意识:总应电流有自己的主观意识:总是反抗是反抗磁通量的变化磁通量的变化(十足的十足的保守派保守派)。楞次定律swf12大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃
10、生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 楞次定律楞次定律NS叙述:叙述:闭合回路中感应电闭合回路中感应电流的方向总是企图使感应流的方向总是企图使感应电流本身所产生的通过回电流本身所产生的通过回路面积的磁通量,去补偿路面积的磁通量,去补偿或者阻碍引起感应电流的或者阻碍引起感应电流的磁通量的变化。磁通量的变化。(向里)(向里)变化(增加)变化(增加)(向外)(向外)+(向外)(向外)(逆时针)(逆时针)13大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 NSNS用楞次定律判
11、断感应电流方向14大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 以磁铁插入线圈为例:以磁铁插入线圈为例:感应电流产生的磁场阻碍磁铁运感应电流产生的磁场阻碍磁铁运动。有感应电流产生,就有能量动。有感应电流产生,就有能量消耗,来源何处?消耗,来源何处?来源于插入时外力作功。来源于插入时外力作功。若不是阻挠它的相对运动,而是促若不是阻挠它的相对运动,而是促进其相对运动。进其相对运动。若只须开始用力将磁铁插入,以后,磁铁将会越若只须开始用力将磁铁插入,以后,磁铁将会越来越快地运动下去。即可用微小的功获得无限大的来越快地运动
12、下去。即可用微小的功获得无限大的机械能,显然,这不符合能量守恒定律!机械能,显然,这不符合能量守恒定律!机械能机械能焦耳热焦耳热15大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去楞次定律的应用楞次定律的应用:磁悬浮列车制动。:磁悬浮列车制动。当列车需要停下来而减速时,钢轨内侧的线圈当列车需要停下来而减速时,钢轨内侧的线圈由原先的电动机作用(输出动力)变成发电机作用由原先的电动机作用(输出动力)变成发电机作用(产生电流),即列车上的磁铁极性以一定的速度(产生电流),即列车上的磁铁极性以一定的速度交替的通过这些线圈时,在
13、线圈内产生感应电流,交替的通过这些线圈时,在线圈内产生感应电流,由楞次定律,这些感应电流的磁通量反抗通过其中由楞次定律,这些感应电流的磁通量反抗通过其中的磁通量的变化,产生完全相反的电磁阻力。的磁通量的变化,产生完全相反的电磁阻力。斥力斥力吸引力吸引力钢轨内侧的钢轨内侧的电磁线圈电磁线圈16大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去练习练习:如图导体框内有无感:如图导体框内有无感应电流?若有,方向如何?应电流?若有,方向如何?静止静止以以 运动运动以以 运动运动以以 纸面向里运动纸面向里运动答答:产生感应电流的条
14、件:产生感应电流的条件:导体构成闭合回路;导体构成闭合回路;穿过闭合回路的磁通量穿过闭合回路的磁通量 发生变化。发生变化。静止:静止:以以 运动运动:以以 运动运动:磁通量减少,磁通量减少,增加增加 ;方向为顺时针;方向为顺时针以以 运动运动:方向为顺时针方向为顺时针17大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去Example Arectangularmetallicloopofdimensionsandw andresistanceR moveswithconstantspeedv totheright,ass
15、howninFigure31.16a,passingthroughauniformmagneticfieldBdirectedintothepageandextendingadistance3w alongthex axis.Definingx asthepositionoftherightsideoftheloopalongthex axis,plotasfunctionsofx(a)themagneticfluxthroughtheareaenclosedbytheloop,(b)theinducedmotionalemf,and(c)theexternalappliedforcenece
16、ssarytocounterthemagneticforceandkeepv constant.18大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去Solution(a)Figure31.16bshowsthefluxthroughtheareaenclosedbytheloopasafunctionx.Beforetheloopentersthefield,thefluxiszero.Astheloopentersthefield,thefluxincreaseslinearlywithpositionuntilth
17、eleftedgeoftheloopisjustinsidethefield.Finally,thefluxthroughtheloopdecreaseslinearlytozeroastheloopleavesthefield.19大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去(b)Beforetheloopentersthefield,nomotionalemfisinducedinitbecausenofieldispresent(Fig.31.16c).Astherightsideoftheloopenter
18、sthefield,themagneticfluxdirectedintothepageincreases.Hence,accordingtoLenzslaw,theinducedcurrentiscounterclockwisebecauseitmustproduceamagneticfielddirectedoutofthepage.ThemotionalemfBv(fromEq.31.5)arisesfromthemagneticforceexperiencedbychargesintherightsideoftheloop.Whentheloopisentirelyinthefield
19、,thechangeinmagneticfluxiszero,andhencethemotionalemfvanishes.Thishappensbecause,oncetheleftsideoftheloopentersthefield,themotionalemfinducedinitcancelsthemotionalemfpresentintherightsideoftheloop.Astherightsideoftheloopleavesthefield,thefluxinwardbeginstodecrease,aclockwisecurrentisinduced,andthein
20、ducedemfisBlv.Assoonastheleftsideleavesthefield,theemfdecreasestozero.20大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去(c)TheexternalforcethatmustbeappliedtothelooptomaintainthismotionisplottedinFigure31.16d.Beforetheloopentersthefield,nomagneticforceactsonit;hence,theappliedforcemust
21、bezeroifv isconstant.Whentherightsideoftheloopentersthefield,theappliedforcenecessarytomaintainconstantspeedmustbeequalinmagnitudeandoppositeindirectiontothemagneticforceexertedonthatside:Whentheloopisentirelyinthefield,thefluxthroughtheloopisnotchangingwithtime.Hence,thenetemfinducedintheloopiszero
22、,andthecurrentalsoiszero.Therefore,noexternalforceisneededtomaintainthemotion.Finally,astherightsideleavesthefield,theappliedforcemustbeequalinmagnitudeandoppositeindirectiontothemagneticforceactingontheleftsideoftheloop.Fromthisanalysis,weconcludethatpowerissuppliedonlywhentheloopiseitherenteringor
23、leavingthefield.Furthermore,thisexampleshowsthatthemotionalemfinducedintheloopcanbezeroevenwhenthereismotionthroughthefield!Amotionalemfisinducedonlywhenthemagneticfluxthroughtheloopchanges in time.21大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 例例7-17-1 一长直导线中通有交变电流一长直导线中通有交变电流 ,式,
24、式中中 表示表示瞬时电流,瞬时电流,电流振幅,电流振幅,角频率,角频率,和和 是是常量。在长直导线旁平行放置一矩形线圈,线圈平面与常量。在长直导线旁平行放置一矩形线圈,线圈平面与直导线在同一平面内。已知线圈长为直导线在同一平面内。已知线圈长为 ,宽为,宽为 ,线圈,线圈 近近 长直导线的一边离直导线距离为长直导线的一边离直导线距离为 。求任一瞬时线。求任一瞬时线圈中的感应电动势圈中的感应电动势 解:解:某一瞬间,距离直导线某一瞬间,距离直导线x x处的磁处的磁感应强度为感应强度为选顺时针方向为矩形线圈的绕行选顺时针方向为矩形线圈的绕行正方向,则通过图中阴影部分的正方向,则通过图中阴影部分的磁通
25、量为磁通量为Example7.122大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当机立断,披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去在该瞬时在该瞬时t,通过整个线圈的磁通量为,通过整个线圈的磁通量为由于电流随时间变化,通过线圈的磁通量也随时间由于电流随时间变化,通过线圈的磁通量也随时间变化,故线圈内的感应电动势为变化,故线圈内的感应电动势为感应电动势随时间按余弦规律变化,其方向也随感应电动势随时间按余弦规律变化,其方向也随余余弦值的正负作顺、逆时针转向的变化。弦值的正负作顺、逆时针转向的变化。23大学物理大学物理火灾袭来时要迅速疏散逃生,不可蜂拥而出或留恋财物,要当
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