大学物理电磁场与麦克斯韦方程组课件.ppt

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1、第八章 电磁场与麦克斯韦方程组,2023/3/21,8-1 电磁感应基本定律,一、法拉第电磁感应定律,实验一：当条形磁铁插入或拔出线圈回路时，在线圈回路中会产生电流；而当磁铁与线圈保持相对静止时，回路中不存在电流。,2023/3/21,实验二：将闭合回路(abcd)置于恒定磁场中，当导体棒在导体轨道上滑行时，回路内出现了电流。,2023/3/21,实验三：以通电线圈代替条形磁铁。,1.当载流主线圈相对于副线圈运动时，线圈回路内有电流产生。,2.当载流主线圈相对于副线圈静止时，如果改变主线圈的电流，则副线圈回路中也会产生电流。,2023/3/21,结论：当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，不管这种

2、变化是由什么原因的，回路中有电流产生。这一现象称为电磁感应现象(electromagnetic induction)。,电磁感应现象中产生的电流称为感应电流(induction current)，相应的电动势称为感应电动势(induction emf)。,2023/3/21,符号法则：,对回路L任取一绕行方向。当回路中的磁感线方向与回路的绕行方向成右手螺旋关系时，磁通量为正(+)，反之为负(-)。回路中的感应电动势方向凡与绕行方向一致时为正(+)，反之为负(-)。,2023/3/21,法拉第电磁感应定律:当穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与穿过回路的磁通量对时间变化

3、率的负值成正比。,法拉第(1791-1867)，英国物理学家、化学家，著名的自学成才科学家,生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。他一生献身科学研究，成果众多，1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。,反映感应电动势的方向，楞次定律的数学表示,2023/3/21,感应电动势的方向,与回路取向相反,（与回路成右螺旋）,2023/3/21,当线圈有 N 匝时,与回路取向相同,2023/3/21,对N匝线圈，其总磁通量称全磁通。,N称为磁通链数。,N匝线圈的总电动势为各匝产生的电动势之和：,2023/3/21,在直导体棒匀速向右运动过程中,如果其外框是:闭合导体回路 有持续电流 导体不闭合 瞬态电流,稳定

4、无导体 无电流，但有感应电动势,感应电流 I,一定时间内通过回路截面的感应电量:,2023/3/21,二 楞次定律,闭合的导线回路中所出现的感应电流，总是使它自己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因（反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等）.,2023/3/21,楞次定律是能量守恒定律的一种表现,维持滑杆运动必须外加一力，此过程为外力克服安培力做功转化为焦耳热.,楞次定律 闭合的导线回路中所出现的感应电流，总是使它自己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因.,2023/3/21,用楞次定律判断感应电流方向,2023/3/21,例8-1 在匀强磁场中,置有面积为 S 的可绕 轴转动的N 匝线圈.若

5、线圈以角速度 作匀速转动.求线圈 中的感应电动势.,2023/3/21,令,则,2023/3/21,可见,在匀强磁场中匀速转动的线圈内的感应电电流是时间的正弦函数.这种电流称交流电.,2023/3/21,解：建立坐标系Ox如图,例8-2.一长直导线通以电流(I0为常数)。旁边有一个边长分别为l1和l2的矩形线圈abcd与长直电流共面，ab边距长直电流r。求线圈中的感应电动势。,2023/3/21,8-2 动生电动势与感生电动势,2023/3/21,设杆长为,一 动生电动势,平衡时,2023/3/21,说明：动生电动势存在于运动导体上；不动的导体 不产生电动势，是提供电流运行的通路。非回路的导体

6、在磁场中运动，有动生电动势 但没有感应(动生)电流。导线切割磁感线时才产生动生电动势。,二、动生电动势的计算,1.定义求解：2.法拉第电磁感应定律求解：,若回路不闭合，需增加辅助线使其闭合。计算时只计大小，方向由楞次定律决定。,2023/3/21,例8-3.一矩形导体线框，宽为l，与运动导体棒构成闭合回路。如果导体棒以速度v作匀速直线运动，求回路内的感应电动势。,解：方法一,电动势指向 ab,方法二：,电动势指向 ab,2023/3/21,例8-4：长L的铜棒OA，绕其固定端O在均匀磁场 中以 逆时针转动，铜棒与 垂直，求动。,解一：取线元,与 同向,2023/3/21,解二：,构成扇形闭合回

7、路,由楞次定律,2023/3/21,一、感生电动势,8-3 感生电动势 感生电场,1.导体回路不动，由于磁场变化产生的感应电动势叫感生电动势(induced electromotive force)。,2.产生感生电动势的非静电力？,问题：是不是洛仑兹力？,不是洛仑兹力,只可能是一种新型的电场力,2023/3/21,1861年麦克斯韦假设:变化的磁场在周围空间将激发电场感生电场。感生电流的产生就是这一电场作用于导体中的自由电荷的结果。,感生电动势：,电磁场的基本方程之一：,二、感生电场(induced electric field),结论：(1)变化的磁场能够激发电场。(2)感生电场为涡旋场，

8、又称“涡旋电场”。(eddy electric field),“-”的含义,2023/3/21,两种电场比较,作为产生 的非静电力，可以引起不闭合导体中产生电荷堆积，从而建立起静电场。,2023/3/21,三、感生电动势的计算,2023/3/21,例8-5.已知半径为R的长直螺线管中的电流随时间变化，若管内磁感应强度随时间增大，即=恒量0，求感生电场分布。,解：选择一回路L,逆时针绕行,2023/3/21,四、电子感应加速器,原理：在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室，当用交变电流励磁电磁铁时，在环形室内除了有磁场外，还会感生出很强的、同心环状的涡旋电场。用电子枪将电子注入环形室，电子在洛伦兹

9、力的作用下，沿圆形轨道运动，在涡旋电场的作用下被加速。,实验模拟,电子感应加速器(induction electron accelerator)是利用涡旋电场加速电子以获得高能粒子的一种装置。,2023/3/21,五、涡电流(eddy current),当大块导体放在变化的磁场中，在导体内部会产生感应电流，由于这种电流在导体内自成闭合回路，故称为涡电流。,涡电流的热效应(heat effect),电磁灶,2023/3/21,一、自感,8-4 自感和互感,1.自感现象,L称为自感系数简称自感。单位：亨利(H),自感系数L取决于回路线圈自身的性质(回路大小、形状、周围介质等),2023/3/21,

10、(2)自感系数的物理意义,当线圈中电流变化率为一个单位时，线圈中自感电动势的大小。负号：L总是阻碍 I 的变化,如果回路自身性质不随时间变化，则：,根据法拉第电磁感应定律：,2023/3/21,二、互感现象,一个载流回路中电流的变化引起邻近另一回路中产生感生电动势的现象称为互感现象(mutual-inductance)，所产生的电动势称为互感电动势(mutual Emf)。,1.互感现象,2023/3/21,i,合上K回路电流发生变化,线圈L内磁场发生变化,dt时间内电源克服自感电动势作功：,据功能原理,8-5 磁场的能量,一、自感磁能,在 0 I过程中电源所做的功线圈中储存的磁能,2023/

11、3/21,对长直螺线管：,可以推广到一般情况,自感磁能：,二、磁场能量(magnetic energy),1.磁能密度：磁场单位体积内的能量,2.磁场能量,磁场占据的空间体积,2023/3/21,恒定磁场的安培环路定理：,非稳恒电流(如图RC电路)情况下：,对S1面,对S2面,不满足电流连续性原理对电流概念加以修正,8-6 位移电流和全电流定律,一、问题的提出,2023/3/21,电荷守恒定律：,高斯定理：,麦克斯韦的修正：,穿过S1的电流(I0)等于穿过S2的电流(Id),2023/3/21,二、位移电流,1.位移电流(displacement current)通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面的电位移通量的时间变化率。,2.位移电流密度(density of displacement current),2023/3/21,三、全电流定律,说明：I0为电荷的定向运动，存在于导体之中；Id由变化电场所激发，存在于变化电场的空间。I0具有热效应(通过导体发热)；Id不具有热效应。,传导电流和位移电流都能激发涡旋磁场,位移电流假设的实质：变化的电场可以激发磁场,1.全电流=传导电流(I0)+位移电流(Id),对任何电路,全电流总是连续的,2.推广的安培环路定理,