位移电流与传导电流是完全不同的概念课件.ppt

实验2 ：插入或拔出载流线圈,实验1：插入或拔出磁棒,实验4：导线切割磁力线的运动,实验3：接通或断开初级线圈,2、电动势,.电源、非静电力,如图，在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静电场，必须有非静电力把正电荷从负极板搬到正极板才能在导体两端维持有稳恒的电势差，,在导体中有稳恒的电场及稳恒的电流。,* 提供非静电力的装置就是电源，如化学电池、硅（硒）太阳能电池，发电机等。实际上电源是把能量转换为电能的装置。,静电力欲使正电荷从高电位到低电位。,非静电力欲使正电荷从低电位到高电位。,.电动势,* 定义描述电源非静电力作功能力大小的量，就是电源电动势。,电源内部电流从负极板到正极板叫内电路。,电源外部电流从正极板到负极板叫外电路。,把单位正电荷从负极板经内电路搬至正极板，电源非静电力做的功。,* 为了便于计算规定 的方向由负极板经内电路指向正极板，即正电荷运动的方向。,单位：焦耳/库仑=（伏特）,* 越大表示电源将其它形式能量转换为电能的本领越大。其大小与电源结构有关，与外电路无关。,从场的观点：,非静电力对应非静电场,3 楞次定律,回路中感应电流的方向，总是使感应电流所激发的磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。,判断下图中感应电动势的方向,* 只要磁通量发生变化就有感应电动势。,* 要形成感应电流，除磁通量发生变化外， 还要有闭合导体回路,N匝线圈串联时的法拉第电磁感应定律,N匝相同线圈串联组成回路,磁通链数:,二 法拉第电磁感应定律,导体回路中感应电动势 的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比,式中 k 是比例常数，在(SI)制中 k =1,感应电流与感应电荷：,若回路中电阻为R，则感应电流为：,在12时间内通过导线任一截面的感生电荷量为：,请记住！,与磁通量变化的快慢无关,三 法拉第电磁感应定律的应用,解：,例题一长直导线，通有电流 ，矩形金属框的边长分别为 a、b，电阻为R，（1）问当线圈绕OO轴转过180时，流过线圈的感应电量是多少？（2）若线圈固定不动，长直导线中电流为 ，求经历一定时间流过的感应电量为多少？,解：（1）,（2）若线圈固定不动，长直导线中电流为 ，求经历一定时间流过的感应电量为多少？,解:利用前面的结果,一 动生电动势,动生电动势：导线在磁场中作切割磁力线的运动时 所产生的感应电动势称为动生电动势。,9-2 动生电动势,感应电动势 ,感应电动势分为两类：1 动生电动势：磁场保持不变，导体回路或导体在磁场中运动2 感生电动势：导体回路或导体不动，磁场变化,2 动生电动势的产生机制,结论：动生电动势的本质是洛伦兹力, 洛伦兹力是形成动生电动势的非静电力。,1） 运动导体中的自由电子受到磁场的洛伦兹力作用,2） 运动导体的两端出现电荷后使导体内形成强度为 的电场,3）平衡条件,4）电动势,1）非静电场强,3 动生电动势的一般情况,2）动生电动势,3）讨论：当运动导线不是直线，磁场也不均匀,二 动生电动势的计算,例题 如图金属杆AB以速度v 平行于长直载流导线运动。 已知导线中的电流强度为I . 求：金属杆AB中的动生电动势。,解：,例题：导体棒长为L,角速度为.若转轴在棒的中点,则整个棒上电动势的值为 ;若转轴在棒的端点,则整个棒上电动势的值为.,解：转轴在中点,转轴两侧各线元上的 两两抵消,转轴在端点,例题：法拉第电机，设铜盘的半径为 R，角速度为。求盘上沿半径方向产生的电动势。,可视为无数铜棒一端在圆心，另一端在圆周上，即为并联，因此其电动势类似于一根铜棒绕其一端旋转产生的电动势。,导线abc为3/4圆弧,导线沿aoc角平分线方向以v向右运动.求导线abc上的动生电动势,解:,解： 的方向如图,例题金属杆 OA在均匀磁场中绕通过 O点的垂直轴 OZ作锥形旋转，杆OA长 ，与 OZ轴夹角为 ，旋转角速度为 ， 的方向与 OZ一致，求OA两端的电势差。,9-3 感生电动势 感生电场,感生电场（涡旋电场）,一 感生电动势,由电动势的定义,由法拉第电磁感应定律,静电场 感生电场,共同点： 对电荷有力的作用 对电荷有力的作用,不同点： 由静止电荷产生 由变化的磁场产生,（保守场） （非保守场）,电力线起始于正电荷或无穷远，止于负电荷或无穷远。 （有源场）,线为无头无尾的闭合曲线。 （无源场或涡旋场）,二 感生电场与静电场的比较,与 的关系：,与 成左手螺旋关系,如，无限长螺线管内是一均匀磁场，方向垂直纸面向里，,其电力线是以O为圆心的一系列半径不等的同心圆。,感生电场的方向和 的方向满足左手螺旋关系。,例题在半径为R的无限长螺线管内部的磁场 随时间作线性变化， 0，且为恒量，求管内外感生电场。,取一半径为的电力线作为闭合回路。取顺时针方向为正绕行方向。,解：（1）R，,方向与 成左旋关系,（2）R，,解：,连结、构成一闭合回路，绕行方向：逆时针。,方向,例题均匀磁场 分布在半径为R的圆柱形空间内， （C为常数），求导体中的感生电势。,如图,长直导线中电流为i,金属框与长直导线共面,其中ab边以速度匀速平动, t=0时,ab边与cd边重合.金属框自感忽略不计.如i=I0cost ,求ab边运动到图示位置时,金属框中的总感应电动势,解:建立坐标轴如图t时刻磁通为,所得结果中“感生”与“动生”的对应项?,在图示位置处, ,代入得,答案：(D),在感应电场中电磁感应定律可写成式中为感应电场的电场强度,此式表明(A)闭合曲线上处处相等 (B)感应电场是保守力场.(C)感应电场的电力线不是闭合曲线.(D)在感应电场中不能像对静电场那样引入电势的概念.,感应电流的应用,表面热处理，表面去气,冶炼难熔金属(高频感应炉),产生电磁阻尼(仪表),4.电子感应加速器,利用感生电场对电子加速的装置。,电子在环形真空室中受到感生电场的作用，,同时又受到所在处磁场的洛仑兹力的作用，,仅在第一个1/4周期被加速,回旋加速器,两个D型电极（与高频振荡器连接）放在均匀强磁场内。,9-4 自感应与互感应,一 自感,K合上灯泡A先亮 ,B后亮K断开 B会突闪,1 现象,日光灯, 镇流器就应用了自感,I(t) B(t) (t),2 自感系数,L自感系数 与线圈大小、形状、周围介质的磁导率有关；与线圈是否通电流无关,1、式中的负号表示自感电流反抗线圈中电流变化,2、L越大对同样的电流变化自感电流就越大即回路中电流越难改变,线圈反抗电流变化的能力, 一种电惯性的表现,3 自感系数的计算,假设电路中流有电流 I , IB ，再计算 L= /I,例题:求单层密绕长直螺线管的自感 已知 N、S、,解: 设回路中通有电流 I,L仅与回路、介质有关,例题两个无限长同轴圆筒形导体组成的电缆，其间充满磁导率为的均匀磁介质，内外筒上流过的电流I等值反向，设内、外的半径分别为R1、R2，求单位长度电缆的自感值。,解：两圆筒间的磁感应强度为：,单位长电缆的自感值为：,取一如图所示的面元 ，,通过筒间 长的截面的总磁通量为：,B ,二 互感,互感电动势,互感系数,线圈1内电流的变化，引起线圈2内的电动势,M互感系数 与线圈大小、形状、相对位置、周围介质的磁导率有关；与线圈是否通电流无关,求两共轴螺线管的M, ,解:,求两共轴螺线管的M, ,解:,偶合系数,例题,如图,长直导线与金属框共面,求该系统的互感系数,解：,设长直导线中通有电流I,则通过金属框的磁通为,系统的互感：,例题：如图,两线圈的自感系数分别为L1、L2 ,互感系数为M,求在(A)、(B)两种联接方式下,所得线圈的自感系数LA、LB.,解：对于(A),设有电流 I(t),则有,其中,对于(B),有,其中,若两线圈之间存在互感,则串联后, 一般LL1+L2；反之,若不存在互感,则串联后,L=L1+L2,应用,9-5 磁场的能量,电源提供的一部分能量储存在线圈内，磁场具有能量。,一 磁场能量,磁场能量,电源作功 = 反抗 作功+焦耳热,二 磁场能量密度,长直螺线管,磁场能量密度,对非均匀磁场的情况也正确,一般情况,载流线圈的磁能：,该结果对于L一定(即L不随I变化)的任意线圈都成立,管内 B=0rnI, H=nI,管外 B=H=0,磁能,载流螺绕环(r )：,或:,线圈P的自感和电阻分别是线圈Q的两倍,两线圈间的互感忽略不计,则P与Q的磁场能量的比值为(A)4. (B)2. (C)1. (D)1/2.,解：,W=LI2/2,LP/LQ=2, IP/IQ=1/2,例题：通有电流I的同轴电缆,由半径为R1和R2的两个薄壁圆筒构成,筒间充满相对磁导率为r的磁介质,求电缆单位长度内的磁场能量.,解：磁场集中于两筒间,在距轴线rr+dr的单位长度壳层中,有,电缆单位长度内总的磁场能量为,由Wm=LI2/2,可求出L.,9-6 位移电流 电磁场理论,一 位移电流,稳恒磁场,非稳恒磁场,?,0 S1,任意时刻空间每一点的磁场都是确定的，对于确定的回路积分只应有唯一确定的值。,I S2,Maxwell 理论肯定了这一点！,1 电路中的电流与电容器极板上电量的关系,2 电容器极板上电量与电容器中电场强度的关系,3 麦克斯韦的假设,1）变化的电场可等效于一种电流 称为位移电流,2）位移电流在产生磁场方面与传导电流等效,1、只要电场随时间变化， 就有相应的位移电流 位移电流的本质是变化的电场,2、位移电流与传导电流是完全不同的概念，仅在产生磁场方面二者等价, I 有电荷流动，通过导体会产生焦耳热, Id无电荷流动。高频时介质也发热，那是分子反复极化造成,位移电流的特点,变化的电场产生磁场,二 全电流,1 全电流,传导电流+位移电流的代数和,2 全电流总是连续的,三 全电流安培环路定律,被后来的实验所证实.,全电流总是闭合的、连续的,因此该定理有普适性.,其中, 是传导电流密度通过垂直于电流方向单位面积的电流.,用电流密度表出电流,可得,意义：,指出变化电场与磁场相联系.,Id的本质,是变化的电场,仅在产生磁场这一点上,与传导电流等价.,是位移电流密度,例题：如图,一圆形平行板电容器,板面半径R,充电电流I,求板间的磁场.,解：,板间磁场由板间Id与板外I共同产生.Id及I为轴对称板间磁场轴对称,类似于均匀圆柱电流的磁场.,如图,作半径为r的圆形环路,则有,若rR，则,若rR，则,于是,例题：如图,一圆形平行板电容器,板面积S,间距d。一根长为d的极细的导线在极板间沿轴线与两极板相连，已知细导线的电阻为R，两极板外接交变电压.求：导线中的电流, 通过电容器的位移电流，通过极板外接线中的电流，极板间离轴线为r处的磁场强度.(r小于极板的半径）,解：,（一） 电场 (Electric Field ),1 环路定律,静电场,涡旋电场,一般电场,或,二、麦克斯韦方程组,2 高斯定理,静电场,涡旋电场,一般电场,一般电场：,环路定律,高斯定理,（二） 磁场 (Magnetic Field ),1 环路定律 （全电流定律）,2 高斯定理,麦克斯韦方程组的积分形式,麦克斯韦方程组,电场,磁场,(反映了电场的有源性),(反映了磁场的涡旋性or无源性),(反映了变化电场和磁场的联系),(反映了变化磁场和电场的联系),Maxwell对电磁学的贡献：,i)提出位移电流和感应电场的概念,ii)系统总结了电磁场的基本规律,iii)预言了电磁波的存在,iv)指出光是一种电磁波,单位体积电磁场的能量：,单位体积电磁场的质量：,单位体积电磁场的动量：,电磁场以波的形式传播,以粒子(光子)的形式与其它物质相互作用和转化,属于场物质.,实物物质 场物质,静止质量有 无,运动速度c c,对空间的占据 不可叠加 可叠加,波粒二象性有 有,三、 电磁场的物质性,电磁场是一种物质,它有能量、质量和动量,可与其它物质相互作用,对于位移电流,有下述说法,请指出哪一说法正确.(A)位移电流是由变化电场产生的.(B)位移电流是由变化磁场产生的.(C)位移电流热效应服从焦耳-楞次定律.(D)位移电流磁效应不服从安培环路定理.,答案：(A),一平行板空气电容器的两极板都是半径为R的圆形导体片,在充电时,板间电场强度的变化率为dE/dt. 若略去边缘效应,则两板间的位移电流为 .,解：,讨论：,积分形式的麦克斯韦方程组为,试判断下列结论是包含于或等效于哪一个麦克斯韦方程的,将确定的方程用代号填在相应结论后的空白处.,变化的磁场一定伴随有电场;,磁感应线是无头无尾的;,电荷总伴随有电场.,4、试就以下几个方面比较传导电流与位移电流的异同本质，与磁场的关系，在其中能存在的物质种类热效应。,5、真空静电场中的高斯定理为 和电磁场的高斯定理 形式是相同的，但在理解上有何区别？,6、对于真空中稳恒电流的磁场有 。对于一般电磁场也有 ，二者在理解上有何区别？,位移电流,电场小结,第 八 章 真空中的静电场,库仑定律,电场强度,定义,场强迭加原理,点电荷的场强,点电荷系的场强,连续分布电荷的场强,高斯定理,有源场,均匀带电球面,无限长均匀带电直线,均匀带电球体,无限大均匀带电平面,无限长均匀带电圆柱面,静电场的环路定理,电势零点的选取是任意的： 1 对于有限带电体，一般选无限远为电势零点, 2 对于无限大带电体，常取有限远为电势零点。,保守力场,电势能,电势,电势差,点电荷电场的电势,分立的点电荷系,连续分布的带电体系,会利用叠加原理进行电势计算,计算电势的方法,根据电势的定义,正确选取电势零点,均匀带电球面,电场强度与电势梯度的关系,带电粒子(带电体)在电场中受力,电偶极子在均匀电场中,为使 （1）,而 （2）,B必须满足一定条件,对（1）求导得：,比较（2）、（3）两式，得,B必须满足的条件,式中 为电子圆形轨道区域内的平均磁感应强度。,两极间的空隙从中心向外逐渐增大。,涡电流：金属处于变化的磁场中时产生的涡旋状电流。简称涡流。,电磁阻尼,磁学小结,基本规律,1 毕奥 沙伐尔定律,运动电荷的磁场,第十一章 真空中的恒定磁场,一段载流导线,无限长载流直导线,半无限长载流直导线,延长线上,一段圆弧圆电流,长直螺线管,无限长直圆柱形载流导体的磁场,无限长直圆柱形载流导体壳的磁场,磁场的高斯定理,磁场是无源场.,匀强场,非匀强场,安培环路定理,磁场是非保守场,安培定律,匀强场中,闭合载流线圈所受合力为零,匀强场,非匀强场(定性分析):平动+转动,磁场作用在载流线圈上的力矩,磁力的功,载流导线在磁场中运动时,载流线圈在磁场中转动时,洛仑兹力,霍耳效应,第十二章 磁介质中的磁场,顺磁质,抗磁质,铁磁质,Br 剩磁,Hc 矫顽力,有磁介质时的安培环路定理,第十三章 电磁感应,电磁感应现象,楞次定律,法拉第电磁感应定律,电动势,动生电动势,感生电动势,本质?,感生电场的特征,性质,方向的判定.,自感系数,自感系数 与线圈大小、形状、周围介质的磁导率有关；与线圈是否通电流无关,L求法:设电路中流有电流 I , IB ，再计算 L= /I,互感系数,互感系数 与线圈大小、形状、周围介质的磁导率及相对位置有关；与线圈是否通电流无关,M求法,磁场能量,磁场能量密度,匀强场,非匀强场,