第十章-电磁感应电磁波最新版应用物理课件.ppt

1、 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，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。他是电磁理论的创始早引入的。他是电磁理论的创始人之一，于人之一，于1831年发现电磁感应年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，以及光物质的抗磁性和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转。的偏振面在磁场中的旋转。第一节第一节法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律 当穿过回路所

2、围面积的磁通量发生变化时，回路当穿过回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就有感应电动势产生，它的大小与磁通量对时间变化中就有感应电动势产生，它的大小与磁通量对时间变化率成正比率成正比.tmidd1）负号的物理含义：）负号的物理含义：0m（与回路成右螺旋）与回路成右螺旋）BNB0ddtm0i(与回路取向相反与回路取向相反)0ddtm0i(与回路取向相同与回路取向相同)负号表示电动势的方向负号表示电动势的方向说明说明2）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 mN3）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tRRImidd1ittNmddddi磁链磁链

3、 二、楞次定律二、楞次定律 闭合的导线回路中所出闭合的导线回路中所出现的感应电流，总是使它自现的感应电流，总是使它自己所激发的磁场反抗任何引己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因（反抗相发电磁感应的原因（反抗相对运动、磁场变化或线圈变对运动、磁场变化或线圈变形等。形等。NBSI 用楞次定律判断感应电流的方向用楞次定律判断感应电流的方向2IBrddd2IBsh rrdln22a baIIhabh rra解：解：设长直导线通电流设长直导线通电流IbahIrordr 例例 7-1 如图所示，通电长直导线与一矩形线圈共如图所示，通电长直导线与一矩形线圈共面面,且线圈的一边与直导线平行。当长直导线中通

4、有电且线圈的一边与直导线平行。当长直导线中通有电流流 时，时，求求 时的线圈中感应电动势。时的线圈中感应电动势。0ttIIsin0已知已知：a，b，h，tIIsin0 求求：0t?0()(sint)ln2I hab ta0d(cost)lnd2miI habta0ln2iI haba0t时，感应电动势的大小为：时，感应电动势的大小为：由法拉第电磁感应定律，线圈中感应电动势的大小为：由法拉第电磁感应定律，线圈中感应电动势的大小为：引起磁通量变化的原因引起磁通量变化的原因 1）稳恒磁场中的导体运动）稳恒磁场中的导体运动,或者回路面积或者回路面积变化、取向变化等变化、取向变化等 动生电动势动生电动势

5、 2）导体不动，磁场变化）导体不动，磁场变化 感生电动势感生电动势一、动生电动势一、动生电动势+Bvba+动生电动势的动生电动势的非非静电力场来源静电力场来源 洛伦兹力洛伦兹力BeFv)(mBeFEvmkbalEdkibalBd)(v非静电场强：非静电场强：动生电动势：动生电动势：第二节第二节动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势动生电动势动生电动势发电机原理发电机原理 例例7-2 一长为一长为 的铜棒在磁感应强度为的铜棒在磁感应强度为 的均的均匀磁场中匀磁场中,以角速度以角速度 在与磁场方向垂直的平面上绕在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端棒的一端O转动，求棒中的感应电动势。转动，求棒中

6、的感应电动势。LB已知：已知：L,B,求：求：?+oPBvld解解:LllB0dLlB0idv2i21LB动生电动势的方向由动生电动势的方向由O指向指向P，或者说，或者说OPVV 例例7-37-3 如图所示如图所示,在通有电流在通有电流 I I 的直导线旁有一金属棒的直导线旁有一金属棒ab，金属棒与金属棒与直导线共面，且互相垂直。金属棒以匀速直导线共面，且互相垂直。金属棒以匀速 平行平行于长直导线运动。求金属棒中的感应电动势。于长直导线运动。求金属棒中的感应电动势。vlBvbaid)(0022ddlnbbaaIvIvrrbabarrrr由于由于 ,表明电动势的方向由表明电动势的方向由b b 指

7、向指向a a,a a端电势较高。端电势较高。0abbIavarrrdbr 求求：?已知：已知：I,varbr解解:02IBr二、感生电动势二、感生电动势 产生感生电动势的非静电场产生感生电动势的非静电场 感生电场感生电场 麦克斯韦尔假设麦克斯韦尔假设 变化的磁场在其周围空间激发变化的磁场在其周围空间激发一种电场一种电场,这个电场叫感生电场。这个电场叫感生电场。kE闭合回路中的感生电动势闭合回路中的感生电动势tlEmLdddki感生电场和静电场的对比感生电场和静电场的对比 和和 均对电荷有力的作用。均对电荷有力的作用。kE静E相同点：相同点：不同点：不同点：静电场由静止电荷产生；感生电场是由变化

8、的磁场产生静电场由静止电荷产生；感生电场是由变化的磁场产生。产生的源不同产生的源不同 性质不同性质不同0dLlE静 静电场是有源、保守场静电场是有源、保守场内静isqsE01d0dddktlEL感生电场是无源、非保守场感生电场是无源、非保守场0dsksE 电场线不同电场线不同 静电场的电场线不闭合；感生电场的电场线是闭合的静电场的电场线不闭合；感生电场的电场线是闭合的。电子感应加速器是利用感应电场来加速电子电子感应加速器是利用感应电场来加速电子的一种设备。的一种设备。三、电子感应加速器三、电子感应加速器线圈线圈铁芯铁芯电子束电子束环形真空环形真空管管 道道电子感应加速器全貌电子感应加速器全貌电

9、子感应加速器的一部分电子感应加速器的一部分 它的柱形电磁铁在两极间产生磁场。在磁场中它的柱形电磁铁在两极间产生磁场。在磁场中安置一个环形真空管道作为电子运行的轨道。当磁安置一个环形真空管道作为电子运行的轨道。当磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感应电场。射场发生变化时，就会沿管道方向产生感应电场。射入其中的电子就受到这感应电场的持续作用而被不入其中的电子就受到这感应电场的持续作用而被不断加速。断加速。四、涡电流四、涡电流 感应电场力可以在整块金属内部引起闭合涡旋状感应电场力可以在整块金属内部引起闭合涡旋状的感应电流的感应电流,这种这种电流叫做涡流。电流叫做涡流。铁芯铁芯 交流电源交流电源涡流涡

10、流 应用应用 感应加热：利用涡流的热效应进行加热的方法感应加热：利用涡流的热效应进行加热的方法高频交高频交流电源流电源感应淬火感应淬火电磁阻尼电磁阻尼一、自感自感1.1.自感现象自感现象 由于回路中电流变化而在回路自身中引起感由于回路中电流变化而在回路自身中引起感应电动势的现象，称为自感现象。由此引起的应电动势的现象，称为自感现象。由此引起的电动势称为自感电动势。电动势称为自感电动势。BI第三节第三节自感自感 互感互感2.2.自感系数自感系数 穿过闭合电流回路的磁通量穿过闭合电流回路的磁通量I 若线圈有若线圈有 N 匝匝N磁磁链链IN LI自感系自感系数数单位：单位：1 亨利亨利（H）=1 韦

11、伯韦伯/安培安培（1 Wb/A）H10H1,H10mH163 1）线圈自身的性质（如线圈形状、大小及）线圈自身的性质（如线圈形状、大小及 匝数）；匝数）；2）线圈周围介质。）线圈周围介质。3.3.自感电动势自感电动势 0ddtL当当时，时，tILLdd)dddd(ddtLItILtL影响自感系数的因素影响自感系数的因素 例例7-4 长直密绕螺线管长直密绕螺线管,长为长为l,横截面积为横截面积为S，线圈的总匝数为线圈的总匝数为N,管中充满磁导率为管中充满磁导率为 的非铁磁的非铁磁介质，求其自感。介质，求其自感。lSE 已知：已知：l,S,N,求：求：L解解:先设电流先设电流 I B LNBSN

12、ISlNN解解:先设电流先设电流 I I B L设有电流设有电流I通过长直螺线管，螺线管内的磁通过长直螺线管，螺线管内的磁感强度大小为：感强度大小为：nIBlNn 通过螺线管的磁链为：通过螺线管的磁链为：SlNIL2VnL2二、互感二、互感1.1.互感现象互感现象 设有两个彼此邻近的回路，当其中一个回路中的电设有两个彼此邻近的回路，当其中一个回路中的电流变化时，通过另一回路的磁通量也跟着变化，从而在流变化时，通过另一回路的磁通量也跟着变化，从而在回路中产生感应电动势的现象，称为互感现象。由此引回路中产生感应电动势的现象，称为互感现象。由此引起的电动势称为互感电动势。起的电动势称为互感电动势。1

13、B2B2I1I2.2.互感系数互感系数 在电流回路中所产生的磁通量在电流回路中所产生的磁通量 1I2I12121IM 在在 电流回路电流回路 中所产生的磁通量中所产生的磁通量 1I2I21212IM理论可证明理论可证明MMM2112互感系数互感系数单位：单位：1 1 亨利亨利 （H H）=1=1 韦伯韦伯 /安培安培 （1 1 Wb Wb/A/A）H10H1,H10mH163 1 1）线圈自身的性质（如线圈形状、大小及）线圈自身的性质（如线圈形状、大小及 匝数）；匝数）；2 2）线圈周围介质；）线圈周围介质；3.3.互感电动势互感电动势 tIMtdddd12121 3 3）两个线圈的相对位置。

14、）两个线圈的相对位置。影响互感系数的因素影响互感系数的因素三、磁场的能量磁场的能量1.1.自感线圈储存的磁场能量自感线圈储存的磁场能量 LRKI 电路接通后回路中的电流从零增加到电路接通后回路中的电流从零增加到I I，设某瞬时，设某瞬时t t 回路中的电流为回路中的电流为 )0(Ii第四节第四节 磁场能量磁场能量tiLLdd线圈中产生的自感电动势为：线圈中产生的自感电动势为：线圈中的电流从零增长到线圈中的电流从零增长到I I的过程中，电源克服的过程中，电源克服自感电动势所作的功为：自感电动势所作的功为：在在 时间内，电源克服自感电动势所作时间内，电源克服自感电动势所作的功为：的功为：tttdi

15、LitiALdddiLiAId0221LI221LIWm对于一个长直螺线管，若其中通有电流对于一个长直螺线管，若其中通有电流I I,则：则：VnLnIB2,线圈中的电流达到稳定值线圈中的电流达到稳定值I I时，线圈中磁场的能量为：时，线圈中磁场的能量为：VBnBVnLIWm2)(21212222总磁总磁能能22BVWwmm 磁能密度磁能密度VVmmVBVwWd2d2总磁总磁能能单位体积内的磁场能量单位体积内的磁场能量在飞匀强场中，体积为的空间内磁场能量为在飞匀强场中，体积为的空间内磁场能量为0Q+0QCL一一 电磁波的产生与传播电磁波的产生与传播 变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成变化的

16、电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波电磁波.LCT2LC21-+振荡电偶极子振荡电偶极子+-电磁波电磁波不同时刻振荡电偶不同时刻振荡电偶极子附近的电场线极子附近的电场线tppcos0+EBEcccc+-B振荡电偶极子附近的电磁场线振荡电偶极子附近的电磁场线)(cos4sin),(20urtrptrE)(cos4sin),(20urtrptrH1u0p极轴极轴传播方向传播方向rEHuEH平面电磁波平面电磁波uEHxo)(cos0uxtEE)(cos0uxtHH二二 电磁波的特性电磁波的特性)cos()(cos00kxtEuxtEE)cos()(cos00kxtHuxtHH2k 1）电磁波是横

17、波电磁波是横波 ,;2）和和 同相位同相位;3）和和 数值成比例数值成比例 ；4）电磁波传播速度电磁波传播速度 ,真空中波速真空中波速等于光速等于光速 .EuEuHH1um/s10998.21800cuEHEHuEH三三 电磁波的能量电磁波的能量辐射能辐射能：以电磁波的形式传播出去的能量以电磁波的形式传播出去的能量.电磁波的能流密度电磁波的能流密度 wuS)(2122meHEwww 电磁场能量密度电磁场能量密度)(222HEuSEH1uEH又又 电磁波的能流密度（坡印廷）矢量电磁波的能流密度（坡印廷）矢量 HES 电磁波的能流密度（坡印廷）矢量电磁波的能流密度（坡印廷）矢量 HES0021HE

18、S 平面电磁波能流密度平均值平面电磁波能流密度平均值 振荡偶极子的平均辐射功率振荡偶极子的平均辐射功率442012uppSEH760nm400nm 可见光可见光 电电 磁磁 波波 谱谱红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线X射线射线长波无线电波长波无线电波61010101410181022102104108101210161020102410010频率频率Hz1610810波长波长m4104100108101210短波无线电波短波无线电波无线电波无线电波cm1.0m1034760nmnm1065nm400nm760可见光可见光红外线红外线5nmnm4000.04nmnm5nm04.0紫外光紫外光x 射线射线 射线射线