1、电磁感应现象上课用 电磁感应现象电磁感应现象划时代的发现划时代的发现 19世纪对电磁感应的探索，是一场国际性的研世纪对电磁感应的探索，是一场国际性的研究活动。究活动。1821年，法国科学家年，法国科学家安培安培已经开始探求已经开始探求磁生电的途径。安培做实验时总是保持线圈中的磁生电的途径。安培做实验时总是保持线圈中的电流不变，没有观察到电磁感应现象。电流不变，没有观察到电磁感应现象。1825年，瑞士年轻的科学家年，瑞士年轻的科学家科拉顿科拉顿（J.D.Colladon，18021892）也用实验探索）也用实验探索如何产生感应电流。克拉顿用条形磁铁在线圈中如何产生感应电流。克拉顿用条形磁铁在线圈
2、中插入和拔出进行实验时，为了排除磁铁对插入和拔出进行实验时，为了排除磁铁对“电流电流表表”的影响，把的影响，把“电流表电流表”和线圈分别放在两个和线圈分别放在两个房间里。实验时，他在两个房间之间跑来跑去，房间里。实验时，他在两个房间之间跑来跑去，没有观察到电磁感应现象。没有观察到电磁感应现象。遗憾的科拉顿遗憾的科拉顿?图6-1、导体在磁场中向前或向后运动 如图6-1所示，如果导体AB在磁场中向前或向后运动，电流表的指针就发生偏转，表明电路中有了电流，导体AB静止或上下运动时，电流表指针不偏转，电路中没有电流。这表明导体AB向前或向后运动时要切割磁感线，导体AB静止或上下运动时不切割磁感线。可见
3、，闭合电路中的一部分导体做切割磁感线的运动时，电路中就有电流产生。在这个实验中，导体AB运动，如果导体不运动，让磁场运动，会不会在电路中产生电流？把磁铁插入线圈，或把磁铁从线圈中抽出时，电流表指针发生偏转，这说明闭合电路中产生了电流。如果磁铁插入线圈后静止不动，电流表指针不会偏转，闭合电路中没有电流。这个实验表明：磁铁相对于线圈运动时，线圈的导体切割磁感线。如果导体和磁场不发生相对运动，而让穿过闭合电路的磁场发生变化，会不会在电路中产生电流呢？1、把线圈B套在线圈A的外面，合上开关给线圈A通电时，电表流的指针发生偏转，说明线圈B中有电流。当线圈A中的电流达到稳定时，线圈B中的电流消失。2、打开
4、开关使线圈A断电时，线圈B中又有电流产生。3、如果用变阻器来改变电路中的电阻，使线圈A中的电流发生变化，线圈B中也有电流产生。这说明：线圈B处在线圈A的磁场中，当A通电或断电，或者使A中的电流发生变化时，A的磁场随着发生变化，穿过线圈B的磁通也随着发生变化。这个实验表明：在导体和磁场不发生相对运动的情况下，只要穿过闭合电路的磁通发生变化，闭合电路中就有电流产生。电磁感应现象电磁感应现象穿过闭合导体回路的穿过闭合导体回路的磁通量发生变化磁通量发生变化感应电流感应电流 思考：怎么判断感应电流的方向。思考：怎么判断感应电流的方向。在上一节实验中，当穿过闭合电路的磁通发生变化时，可以观察到电路中电流表
5、的指针有时偏向这边，有时偏向那边。这表明在不同的情况下，感应电流的方向是不同的。那么，怎么确定感应电流的方向？一、右手定则 感应电流的方向由右手定则来判定：当闭合电路中的一部分导线做切割磁感线运动时，感应电流的方向，可用右手定则来判定。伸开右手，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直进去手心，大拇指指向导体运动方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。当磁铁插入线圈时，原磁通在增加，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反，即感应电流的磁场总是阻碍原磁通的增加；当磁铁拔出线圈时，原磁通在减少，线圈所产生的感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相同，即感应电流的磁
6、场总是阻碍原磁通的减少。因此，得出结论：当将磁铁插入或拔出线圈时，线圈中感应电流所产生的磁场方向，总是阻碍原磁通的变化。这就是楞次定律的内容(实验总结。根据楞次定律判断出感应电流磁场方向，然后根据安培定则，即可判断出线圈中的感应电流方向。楞次定律介绍二、1、楞次定律2判断步骤 由于线圈中所产生的感应电流磁场总是阻碍原磁通的变化，即阻碍磁铁与线圈的相对运动，因此，要想保持它们的相对运动，必须有外力来克服阻力做功，并通过做功将其他形式的能转化为电能，即线圈中的电流不是凭空产生的。感应电流方向 )(1增增加加或或减减少少原原磁磁通通变变化化方方向向原原磁磁场场 B)(12相相同同或或相相反反与与方方
7、向向感感应应电电流流磁磁场场BB安安培培定定则则愣愣次次定定律律3楞次定律符合能量守恒定律右手定则和楞次定律都可用来判断感应电流的方向，两种方法本质是相同的，所得的结果也是一致的。右手定则适用于判断导体切割磁感线的情况，而楞次定律是判断感应电流方向的普遍规律。分析：分析：用右手定则、楞次定律判定AB中感应电流的的方向。应用右手定则电流由B A 导体向右运动，穿过导体的磁通增多，感应磁通阻碍磁通的增加，所以感应磁通方向和原磁通相反，方向向上，应用安培定则知，感应电流方向B A 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
8、感应电动势，且感应电动势正比于磁通且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的量对时间变化率的负值负值.第三节、电磁感应定律第三节、电磁感应定律感应电流感应电流感应电动势感应电动势注意：对电源来说，电流流出的一端为电源的正极。在电源内部，电流从电源负极流向正极，电动势的方向也是由负极指向正极，因此感应电动势的方向与感应电流的方向一致，仍可用右手定则和楞次定律来判断。1感应电动势电磁感应现象中，闭合回路中产生了感应电流，说明回路中有电动势存在。在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势。产生感应电动势的那部分导体，就相当于电源，如在磁场中切割磁感线的导体和磁通发生变化的线圈等。2感应电动势的方向感应电动
9、势是电源本身的特性，即只要穿过电路的磁通发生变化，电路中就有感应电动势产生，与电路是否闭合无关。若电路是闭合的，则电路中有感应电流，若外电路是断开的，则电路中就没有感应电流，只有感应电动势。3感应电动势与电路是否闭合无关1感应电动势的大小（1）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向也垂直，则E=BLv（2）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向成角，则E=BLvsin2推导过程：（1）设：ab长为l，以速度v沿垂直磁感线方向匀速向右运动，t s内移动距离aaF=B I l；Fout=F外力反抗磁场力做的功W1=Fout l aa=Fl aa=B I l v t感应电流做的功：W2 =E
10、 I t因为：W1 =W2 BI l v t=E I t 所以：E E=B l vB l vI=ER（R是闭合电路电阻）v1不切割磁感线，不产生感应电动势，只有v2产生感应电动势所以E=B l v2=B l v sin3单位：B特斯拉（T）；E伏特（V）；l米（m）；v米/秒（ms）。tE 对于N 匝线圈，有 tNNtNE12 式中N 表示磁通与线圈匝数的乘积，称为磁链用 表示。即 tE 于是=N大量的实验表明：单匝线圈中产生的感应电动势的大小，与穿过线圈的磁通变化率/t成正比，即1利用公式 计算感应电动势时，若 v 为平均速度，则计算结果为平均感应电动势；若 v 为瞬时速度，则计算结果为瞬时
11、感应电动势。2利用公式 计算出的结果为 t 时间内感应电动势的平均值。vlBE tE 【例6-1】在图 6-1中，设匀强磁场的磁感应强度 B 为 0.1 T，切割磁感线的导线长度l 为 40 cm，向右运动的速度 v 为 5 m/s，整个线框的电阻 R为 0.5，求：(1)感应电动势的大小；(2)感应电流的大小和方向；(3)使导线向右匀速运动所需的外力;(4)外力做功的功率；(5)感应电流的功率。解:(1)线圈中的感应电动势为(2)线圈中的感应电流为由右手定则可判断出感应电流方向为 abcd。V2.0V54.01.0 vBlEA4.0A5.02.0 REI(3)由于 ab 中产生了感应电流，电
12、流在磁场中将受到安培力的作用。用左手定则可判断出 ab 所受安培力方向向左，与速度方向相反，因此，若要保证 ab 以速度 v 匀速向右运动，必须施加一个与安培力大小相等，方向相反的外力。所以，外力大小为 N016.0N4.04.01.0 BIlF外力方向向右。(4)外力做功的功率为 W08.0W5016.0 FuP(5)感应电流的功率为 W08.0W4.02.0 EIP可以看到，P=P，这正是能量守恒定律所要求的。【例6-2】在一个 B=0.01 T 的匀强磁场里，放一个面积为 0.001 m2 的线圈，线圈匝数为 500 匝。在 0.1 s 内，把线圈平面从与磁感线平行的位置转过 90，变成
13、与磁感线垂直，求这个过程中感应电动势的平均值。解：在0.1 s 时间内，穿过线圈平面的磁通变化量为Wb101Wb001.001.00512 BS 感应电动势为 V05.0V1.01015005 tNE 说明：(1)线圈的电感是由线圈本身的特性所决定的，它与线圈的尺寸、匝数和媒介质的磁导率有关，而与线圈中有无电流及电流的大小无关。(2)其他近似环形的线圈，在铁心没有饱和的条件下，也可用上式近似计算线圈的电感，此时l是铁心的平均长度；若线圈不闭合，不能用上式计算。(3)由于磁导率 不是常数，随电流而变，因此有铁心的线圈其电感也不是一个定值，这种电感称为非线性电感。自感现象在各种电气设备和无线电技术
14、中有着广泛的应用。荧光灯的镇流器就是利用线圈自感的一个例子。如图 6-3 是荧光灯的电路图。图 6-3荧光灯电路图 荧光灯主要由灯管、镇流器和启辉器组成。镇流器是一个带铁心的线圈，启辉器的结构如图 6-4 所示。1结构图 6-4启辉器结构图 启辉器是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的 U 形触片灯管内充有稀薄的汞蒸气，当汞蒸气导电时，就发出紫外线，使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的光。由于激发汞蒸气导电所需的电压比 220 V 的电源电压高得多，因此荧光灯在开始点亮之前需要一个高出电源电压很多的瞬时电压。在荧光灯正常发光时，灯管的电阻很小，只允许通
15、过不大的电流，这时又要使加在灯管上的电压大大低于电源电压。这两方面的要求都是利用跟灯管串联的镇流器来达到的。2工作原理当开关闭合后，电源把电压加在起动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使U形片膨胀伸长，跟静触片接触而使电路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过。电流接通后，启辉器中的氖气停止放电，U形触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。在电路突然断开的瞬间，镇流器的两端产生一个瞬时高压，这个电压和电源电压都加在灯管两端，使灯管中的汞蒸气开始导电，于是荧光灯管成为电流的通路开始发光。在荧光灯正常发光时，与灯管串联的镇流器就起着降压限流的作用，保证荧光灯的正常工作。
16、自感现象也有不利的一面。在自感系数很大而电流又很强的电路中，在切断电源瞬间，由于电流在很短的时间内发生了很大变化，会产生很高的自感电动势，在断开处形成电弧，这不仅会烧坏开关，甚至会危及工作人员的安全。因此，切断这类电源必须采用特制的安全开关。电感线圈也是一个储能元件。经过高等数学推导，线圈中储存的磁场能量为 221LIWL 当线圈中通有电流时，线圈中就要储存磁场能量，通过线圈的电流越大，储存的能量就越多；在通有相同电流的线圈中，电感越大的线圈，储存的能量越多，因此线圈的电感也反映了它储存磁场能量的能力。与电场能量相比，磁场能量和电场能量有许多相同的特点：(1)磁场能量和电场能量在电路中的转化都
17、是可逆的。例如，随着电流的增大，线圈的磁场增强，储入的磁场能量增多；随着电流的减小，磁场减弱，磁场能量通过电磁感应的作用，又转化为电能。因此，线圈和电容器一样是储能元件，而不是电阻类的耗能元件。(2)磁场能量的计算公式，在形式上与电场能量的计算公式相同。一、互感现象二、互感系数三、互感电动势由于一个线圈的电流变化，导致另一个线圈产生感应电动势的现象，称为互感现象。在互感现象中产生的感应电动势，叫互感电动势。如图 6-5 所示，N1、N2 分别为两个线圈的匝数。当线圈中有电流通过时，产生的自感磁通为 11，自感磁链为 11=N111。11 的一部分穿过了线圈，这一部分磁通称为互感磁通 21。同样
18、，当线圈通有电流时，它产生的自感磁通 22 有一部分穿过了线圈，为互感磁通 12。图 6-5 互感设磁通 21 穿过线圈的所有各匝，则线圈的互感磁链 由于21是线圈中电流i1产生的，因此 21是i1的函数，即 M21称为线圈对线圈的互感系数，简称互感。21=N22121=M21 i1同理，互感磁链 12=N112 是由线圈中的电流 i2 产生，因此它是i2的函数，即 可以证明，当只有两个线圈时，有1221212121MiiMM 在国际单位制中，互感 M 的单位为亨利(H)。互感 M 取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和媒介质。当媒介质是非铁磁性物质时，M 为常数。12=M12 i21
19、设两个靠得很近的线圈，当第一个线圈的电流 i1 发生变化时，将在第二个线圈中产生互感电动势 EM2，根据电磁感应定律，可得tEM212 tiMtMiEM112)(设两线圈的互感系数 M 为常数，将 代入上式，得121Mi 同理，当第二个线圈中电流 i2 发生变化时，在第一个线圈中产生互感电动势 EM1 为 tiMEM21 上式说明，线圈中的互感电动势，与互感系数和另一线圈中电流的变化率的乘积成正比。互感电动势的方向，可用楞次定律来判断。互感现象在电工和电子技术中应用非常广泛，如电源变压器，电流互感器、电压互感器和中周变压器等都是根据互感原理工作的。一、涡流 二、磁屏蔽把块状金属放在交变磁场中，
20、金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成回路，像水的旋涡，因此叫涡电流，简称涡流。由于整块金属电阻很小，所以涡流很大，不可避免地使铁心发热，温度升高，引起材料绝缘性能下降，甚至破坏绝缘造成事故。铁心发热，还使一部分电能转换为热能白白浪费，这种电能损失叫涡流损失。1涡流在电机、电器的铁心中，完全消除涡流是不可能的，但可以采取有效措施尽可能地减小涡流。为减小涡流损失，电机和变压器的铁心通常不用整块金属，而用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成。这样涡流被限制在狭窄的薄片内，回路电阻很大，涡流大为减小，从而使涡流损失大大降低。铁心采用硅钢片，是因为这种钢比普通钢电阻率大，可以进一步减少涡流损失，硅钢片
21、的涡流损失只有普通钢片的 1/5 1/4。2.涡流的应用 在一些特殊场合，涡流也可以被利用，如可用于有色金属和特种合金的冶炼。利用涡流加热的电炉叫高频感应炉，它的主要结构是一个与大功率高频交流电源相接的线圈，被加热的金属就放在线圈中间的坩埚内，当线圈中通以强大的高频电流时，它的交变磁场在坩埚内的金属中产生强大的涡流，发出大量的热，使金属熔化。1磁屏蔽 在电子技术中，仪器中的变压器或其他线圈所产生的漏磁通，可能会影响某些器件的正常工作，出现干扰和自激，因此必须将这些器件屏蔽起来，使其免受外界磁场的影响，这种措施叫磁屏蔽。2方法(1)利用软磁材料制成屏蔽罩，将需要屏蔽的器件放在罩内。常常用铜或铝等导电性能良好的金属制成屏蔽罩。(2)将相邻的两个线圈互相垂直放置。谢谢！
