清华大学 大学物理ppt课件.第20章.电磁感应.ppt
1,2,20.1 法拉第电磁感应定律,20.2 动生电动势,20.3 感生电动势和感生电场,20.4 互感,20.5 自感,20.6 磁场能量,*20.7 超导简介,第二十章 电磁感应,3,20.1 法拉第电磁感应定律,一.感应电动势,正方向约定：正向与回路 L 的正绕向成右手螺旋关系。,在此约定下，式中负号反映了楞次定律。,4,串联线圈电动势：,对,磁链，串连线圈总磁通,动生电动势 动：回路动引起,感生电动势 感：磁场变引起,感应电动势,5,二.感应电流,R 是回路电阻,在时间 t1 t2 内穿过回路导线截面的电量：,q 与过程快慢无关，测 q 即可得。,磁通计原理,注意：有导体，才有感应电动势，进而有感应电流，感应电流方向总和感应电动势方向一致，感应电动势更本质。,6,穿过整个回路 L 扫过的面元 S 的磁通为：,20.2 动生电动势,线元 在 dt 内扫过的矢量面积元：,一.动生电动势,7,载流子 q 的运动包括：,动生电动势根源：磁场对随导线一起运动的 载流子的洛仑兹力。,随导线元 的运动，速度,沿导线元 的运动，速度,8,载流子所受的洛仑磁力：,由此形成的非静电性场强为：,根据电动势的定义可知：,9,一段导线中的动生电动势：,特例：,积分 0，a b,此时与回路形状无关,积分 0，b a,10,【例】如图长 L 的金属杆 OA 绕 O 点以角速度 在恒定磁场中转动，磁场方向和杆垂直。,求：,解：,方向由 A O：,O 点电势高，积累正电荷。,11,二.能量关系,电功率：,安培力功率：,洛仑兹力作功总和为 0,12,洛仑兹力起到了能量转换的桥梁作用。,外力克服安培力作正功，机械能 电能，这是发电机情形。,若 dP电 0（动 与 I 一致），则 dP安 0，,讨论 dP电+dP安=0,外部电源克服 动 作正功，电能 机械能，这是电动机情形。,若 dP电 0，,13,20.3 感生电动势和感生电场,一.感生电动势,回路固定、磁场变化导致感生电动势：,符号规定：的正向与 L 绕向成右手关系，由此定出 法线正向。,14,二.感生电场,实验表明：感 与导体回路的材料无关。,麦克斯韦敏锐地提出：变化的磁场可激发 一种新的非静电性质的场 感生电场,它不依赖于导体，导体恰显示了它的存在！,（正方向与 L 成右手关系）,感生电场环流规律,15,感生电场是有旋场、非保守场，不存在“势”的概念。感生电场线是与磁感应线相套联的闭合线。,感生电场是产生感生电动势的根源：,感生电场通量规律,16,【例】无限长直载流螺线管的 n，R，I=t 是常量，求：,解：,对无限长直载流螺线管,由无限长和轴对称条件有：,17,电流系统对任意一个垂直于轴线的反射面具有镜像对称性，是极矢量：,如图，选一圆柱面 S,由,得,18,选以 L 为周线、与 L 成右手关系的圆面 S：,(1),选沿 的圆形回路 L：,(2),19,r R：,r R：,20,设磁场封闭在半径 R 的圆筒内，,方向如图，正在增强,则感生电场方向如图示，,感生电场大小：,其它情况自己总结。,总结：,21,热效应,四.涡流（大块导体中的感应电流）,电磁淬火：,外圈热功率大，符合表面淬火要求。,“红圈”发热功率：,22,23,电磁效应,如：无触点开关、感应触发、磁场抑制,24,机械效应,电磁阻尼：,25,涡流阻尼摆,涡流阻尼管,涡流加热,涡流跳圈,高频淬火,电磁感应,楞次定律,【演示】,【TV】,26,由两线圈大小、形状、圈数、相对位形和介质情况决定。,20.4 互感,一.互感系数,M=常数,互感系数M：,单位：,27,互感电动势,规定：,二.互感系数的计算,怎样计算 M 方便？,右手螺旋,右手螺旋,由,由,【思考】,28,20.5 自感,一.自感系数（电感）,L=常数,自感系数 L：,规定：的正向与 i 的正向成右手螺旋关系，保证 L 0。,由线圈数、形状、尺寸和介质情况等因素决定，单位：H。,29,自感电动势,L 的正向与 i 的正向一致,二.自感系数计算,1.由 L=/i 计算：,由,如长直螺线管：,2.由 计算,30,三.自感特点,自感线圈中电流不能突变：,由楞次定律可知 i 的变化受到 L 的阻碍。,自感通直流，阻交流（有感抗）。,（电容器电压不能突变，通交流，阻直流）,31,电感中的电流不能突变,1.K2 断开，接通 K1：,D1 立刻亮，D2 迟些亮,2.K1 和 K2 接通后，再断开 K1：,（需要 IL IR）,D1 闪亮后熄灭,【演示】,32,时间常数,自感线圈中 i 的变化规律,33,可产生大L，,造成线圈绝缘击穿和触点电腐蚀。,减小断电时的电流变化率（di/dt）的措施：,大电感（L大）断电时，电流变化（di/dt）大，,34,对交流纯电感电路，电压相位超前电流/2，自感电动势相位则落后于电流/2。,设,35,*四.趋肤效应,高频电流通过导线时越靠近表面电流密度越大,电流密度,dS 趋肤深度,f 频率,f=100k Hz时，Cu 的 dS 0.21mm。,36,*五.自感与互感的关系,k 耦合系数，0 k 1,k 由介质情况和线圈1、2的相对位形决定。,37,20.6 磁场能量,自感磁能,（类比：）,对长直螺线管由，得：,磁能密度：,磁能储存于磁场中,38,以上结果适用于除铁磁质外的一切线性磁介质。,磁场能量,从能量角度理解，电感中电流之所以不能突变，是因为磁能不能突变，否则功率将为无限大。,从磁能角度看，任何一个电流系统都有相应的电感量 L，故也可以从能量出发计算 L：,39,*20.7 超导简介,一.基本特性,1.零电阻现象,Hg：T 4.15K 时出现 超导态,R=0，I 0，U=0,超导体内总是 E=0,40,2.完全抗磁性（Meissner 效应）,对第一类超导体：内=0,超导体内 B=0,在表面 0.1m 厚度内存在超导电流，在此薄层内 B 不完全为 0。,在超导体内，表面的超导电流产生的磁场与外磁场抵消，使体内 B=0。,41,零电阻现象和完全抗磁性是超导体的两个独立性质：,仅具有零电阻的导体称为完全导体。,完全导体内可以有磁通，但磁通不能改变。,超导体内什么情况下都不会有磁通。,42,二.3个临界参量,1.临界温度 TC,T TC 时，=0,一般高温超导体的 TC 150K。,43,2.临界磁感强度 BC,磁场会破坏超导，保持超导态要求 B BC。,3.临界电流密度 jC,目前薄膜材料中 jC 106A/cm2,电流大会破坏超导，要求超导体中 j jC。,44,三.两类超导体,第 I 类超导体（金属）只有 1 个 BC：,B BC 时是超导态，R=0，B内=0,第 II 类超导体（合金）有 2 个，BC1 和 BC2：,45,掺杂的第 II 类超导体（非理想第 II 类超导体）有磁滞现象，可产生倒悬浮。,超导磁悬浮和倒悬浮,【演示】,46,电磁感应 electromagnetic induction楞次定律 Lenz law互感 mutual inductance自感 self-inductance耦合系数 coupling coefficient,中英文名称对照表,第二十章结束,
