第7章 电磁感应与电磁场

L

0
d l
Bl dl i i d 0
1 2 i BL 2
A
电动势的方向:A→0
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方法二 作辅助线，形成闭合回路OACO d S BdS m B
1 2 BS B L OACO 2 d 1 2 d i BL dt 2 dt 1 BL2 2
L
12
例：长度为L的铜棒在磁感应强度为B的均匀磁场中， 以角速度绕O轴沿逆时针方向转动.求： (1)棒中感应电动势的大小和方向； (2)如果将铜棒换成半径为L的金属圆盘，求盘心与边 缘间的电势差。 解：方法一 ( B ) d l 取微元 d i
d B dl Bl dl i
感应电流与原电流本身无关，
而是与原电流的变化有关。 ——这种现象称为电磁感应 原因 ：线圈中磁通量发生改变 →导致产生感应电动势！
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2. 法拉第电磁感应定律 导体回路中感应电动势的大小，与穿过导体回 路的磁通量的变化率成正比. m 其数学表达式为
dm i K dt
①SI制中 K=1 ②式中的负号反映了楞次定律 ③若N匝线圈串联： ，则 d d m 1 d m 2 mN i dt dt dt
讨论 (1) 此式反映变化的磁场产生感生电场。 (2) S 是以 L 为边界的任一曲面。 S的法线方向应与曲线 L的积分 S 方向成右手螺旋关系
S
L
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B 是曲面上的任一面元上磁感应强度的变化率 t
不是积分回路线元上的磁感应强度的变化率 (3)
B E 与 涡
t
E涡
L
a d
/
b c
S
H ab N I
B H
H nI
2 NI N I B d S BS S S m m N S l l 2 N 2 n2V L m 2 lS n V L I l
N I l
N
l
I
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10
§7.2 动生电动势与感生电动势
感应电动势的非静电力是什么力呢？
d d dm d(B S ) B S ＝－ ( S B ) dt dt dt dt
感应电动势
回路变动引起的→动生电动势ε 磁场变化引起的→感生电动势ε
一、 动生电动势
动生电动势的非静电力——洛仑兹力 取导线长dl , 导体中载流子速度为u F F e B k m F m E B k e
M 称互感系数
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M21 = M12 = M
M M 21
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I1
(1)M只与线圈本身的形状、大小；匝数；相对位置； 磁导率有关；与电流无关(铁心的线圈除外)。 (2)M的大小反映了两个线圈磁场的相互影响程度。 (3) 在SI制中，M的单位是亨利(H).
2.互感电动势
d2 1 dI1 2 1 M dt dt
1 t2 Q I idt idt t t 1 R1
t 2
7
1 1 m 2d m ( Q dt m 2 m 1) 1 R R m dt
• 测Q 可以得到m这就是磁通计的原理。
设回路有N 匝线圈
m NSB
当线圈中磁场由0→B时,不考虑Q的正负,则
导线运动
感应电流
b
阻碍 楞次定律是能量守恒定律在电磁 感应现象上的具体体现。
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例:一无限长直导线载有交变电流i＝i0sint，旁边有 一个和它共面的矩形线圈abcd，如图所示.求线圈中 的感应电动势. l2 h 解:
d Sx 2x
第7章 电磁感应与电磁场
§7.1 §7.2 §7.3 §7.4 §7.5 电磁感应定律 动生电动势与感生电动势 自感应与互感应 磁场能量 麦克斯韦电磁场理论简介
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电磁感应定律的发现，进一步揭示了电与 磁之间的相互联系及转化规律. 麦克斯韦提出了“感生电场”和“位移电 流”两个假说，从而建立了完整的电磁场理
dI 2 d 12 M 12 dt dt
(1) 互感电动势的大小与M成正比，与相对应 的线圈中电流的变化率正比。 (2) 负号是楞次定律的数学表示。
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3 . 互感系数的计算
M M 21
21
I1
M M 21 d I t 1 /d
21
4.线圈串联 两个有互感耦合的线圈串联后等效一个自感线圈。 但其等效自感系数不等于原来两线圈的自感系数之 和
2 1
I
l
r dr
L R 2 ln( ) 单位长度的自感为： L o l 2 R 1
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二.互感应
因两个载流线圈中电流变化而在对方线圈中激 起感应电动势的现象称为互感应现象。
12
I1 I2
21
1. 互感系数(M) 若无铁磁质 线圈不变形 介质不变化 相对位置不变
21 = M21I1 12 = M12I2
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若 r＞R 因圆柱外B＝0 ，故对任一 回路均有 2 R B m
B E d l d S 涡 l s dt B 2 E 2 r R 涡 t
E涡
r B E涡 2 t
r
E涡
l
R B E涡 2r t
2
R2 B E涡 2r t
1) 由
L
I
计算：
思路: 2) 由 L |
L
设 I B L
| 计算：
dI L， L dt
d I dt
思路:
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例: 试计算长直螺线管的自感。 已知：匝数N,横截面积S,长度l ,磁导率

解: 思路: I B L
H d l I
1 1 2
2
顺串联: 线圈中 磁通互相加强
逆串联: 线圈中 磁通互相削弱
1 Q NSB R
QR B 2NS
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二.楞次定律
1833年，楞次总结出： 闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所 激发的磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量 的变化. 产生 感应电流 磁通量变化 a
阻碍 产生

f

d d m i mj dt j dt
6
式中
——磁通链 m mj
j
dm i dt
感应电流 如果闭合回路为纯电阻R回路时，则
1d m I i R R dt
i
i

感应电流的方向与感应电动势 的方向总是一致的。 t1 ～ t2 时间内通过导线上任一截面的电量
感生电动势 非静电力
?
实验表明，非静电力只能是磁场变化引起。 而这种非静电力能对静止电荷有作用 力，因此，应是一种与电场力类似的力。
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实验表明，非静电力只能是磁场变化引起。 而这种非静电力能对静止电荷有作用力，因此， 应是一种与电场力类似的力。 麦克斯韦假设： • 变化的磁场在其周围空间会激发一种涡旋状的非静 电场强，称为涡旋电场或感生电场，记为 E涡 感生电动势 非静电力 感生电场力
B E d l d S 涡 l S t
r
l
Er
B 0 0 E dl cos 0 dS cos 180 涡 l S t
B 2 E r r 涡2 t r B E涡 2 t
B 0 t
E 与 l积分方向切向同向 涡
Fm
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d ( B ) d l 动
B ) d l (

电动势方向:
首先确定积分方向(正方向) 若 ＞０, 则方向与 dl方向一致 若 ＜０, 则方向与 dl方向相反
整个线圈L中所产生的动生电动势为 B ) d l (
构成左旋关系。 B t E涡
B t
注意：E涡是与 ，而不是B组成左螺旋。 B / t
(4) 感生电场是非保守场 (涡旋电场)
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例：半径为R的圆柱形空间内分布有均匀磁场， B 方向垂直于纸面向里，磁场的变化率 t 0 ，求 圆柱内、外E涡的分布 解：取积分回路的回绕方向与E涡的 回绕方向一致. 若 r＜R
c
l1
b
i x
i l h l 0 0 1 ln 2 sin t 2 h
i
dm i l h l 0 0 1 ln 2cos t dt 2 h
a
dx
d
讨论： 当0< t</2时，cos t>0，i<0，逆时针方向； 当0< t<时，cos t<0，i>0，顺时针方向. i的方向还可由楞次定律直接判断.
R
r
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§7.3 自感应与互感应 一、自感应
通电线圈由于自身电流的变化而引起本线圈磁 通量的变化，并在回路中激起感应电动势的现象， 叫自感现象。这时的电动势i称之为自感电动势。
R L A B I1 L
A I2
A、B 是两个相同的灯 泡,R与L的电阻值相同。
L的电阻比灯泡的 电阻小。 I2> I1
dI 0 dt
则 L > 0， I感阻碍电流I的变化； 则 L < 0，I感也阻碍电流I的变化；
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(2) 因为 L∝L，L的存在总是阻碍电流的变化， 所以自感电动势是反抗电流的变化,而不是反 抗电流本身。 ∴L对交流电流有感抗，但对直流电流畅通。 3.自感系数（电感）的计算 自感一般由实验测定；简单情况可以计算。
• 感生电场的电场线是闭合的，是一种非静电场。