第十五章电磁感应与电磁波

《大学物理》电子教案1第十五章电磁感应与电磁波[教学时数]12[教学内容]第一节电磁感应的基本定律第二节动生电动势第三节感生电动势第四节自感和互感第五节磁场的能量第六节电磁波[教学要求]（1）熟悉电磁感应现象，掌握法拉第电磁感应定律和楞次定律；（2）深刻理解动生电动势、感生电动势、自感电动势、互感电动势等概念；（3（4）了解磁场能量、能量密度等概念，会求磁场能量、能量密度；（5）理解位移电流的概念，知道电磁波的产生机制。[重点]求解动生电动势和感生电动势[难点]互感电动势[教学方法]讲授法、谈话法、启发法、范例教学法[教学方案]1.内容安排每小节用两个课时完成2.活动安排理论讲授、例题讲解、课堂练习、课后练习《大学物理》电子教案2第一节电磁感应的基本定律1．电磁感应现象2．1831年实验物理学家法拉第从实验中发现，当通过任一闭合导体回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象，产生的电流叫感应电流。回路中有电流的原因是电路中有电动势，直接由电磁感应得到的电动势叫感应电动势。2．楞次定律楞次定律指出：闭合回路中的感应电流总是企图使它自己所产生的磁场反抗原磁通量的变化。因此对感应(1)原磁场的方向及磁通量Φm如何变?(2)由“反抗”Φm的变化确定感应电流的磁场方向；(3)由感应电流的磁场方向确定感应电流(电动势)这里要注意“反抗”的含义，反抗并不是相反，“反抗”是指Φm若变大，感应电流的磁场方向应与之相反；而Φm变小，感应电流的磁场方向应与之相同。例如在图8(a)中，导体CD向右滑动，(1)回路中B垂直低面向内，Φm在增加；(2)由“反抗”知感应电流的磁场方向应相反，即垂直纸面向外；(3)要得到这样的磁场，电流(电动势)必为C→D。3．法拉第电磁感应定律法拉第全面总结了磁通量的变化与感应电动势之间的关系而得出：不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律=-dtd式中负号表明感应电动势的方向和磁通量变化率之间的关系，是楞次定律的数学表示，判断时先任取一个回路方向(绕行方向)，并按右螺旋法则定出回路法线n的方向；再定磁通量的正负，与n同向为正，异向为负；最后由dΦ/dt的正负确定εi的正负，如图8.1.2所示。显然用这种方法确定感应电动势的方向很复杂，因此在实际解算中，常常是利用楞次定律来第二节动生电动势1．动生电动势由于闭合回路或一段导体在稳恒磁场中运动而回路或导体内产生的感应电动势叫动生电动势。=dtd=Bldtdx=Blv动生电动势的本质是自由电子在磁场中受到洛仑兹力的结果。导体CD向右运动时，自由电子在磁场中会随着导体一起向右运动从而受到洛仑兹力的作用，e向下运动，也即正电荷向上运动。电荷在CD两端堆积，从而在CD上形成由D→C的电场，达平衡时，CD就是《大学物理》电子教案3一个电源，非静电力就是洛仑兹力。非静电力场Ek＝F/e＝v×B所以动生电动势ε=Ek·dl=（v×B）·dl上例中由于洛仑兹力只出现在CD导体段，且此即(8。5)式，中学学习过的“切割磁力线”就是这种情况，“切割”很形象，也很容易用“右手定则”判断方向，但那只是特例。在一般情况下还是要用6)式，不过一定要注意叉乘、点乘的关系以及电动势的方向。2．动生电动势的能量来源设导体在匀强磁场B(方向垂直纸面向里)中以速度v向右运动，如图所示。导体中的自由电子由于受到非静电力场的作用，而以速度u相对于导体向下运动。这样，电子相对于静止参照系的运动速度为V，磁场作用于自由电子的总洛仑兹力为F=-eV×B总洛仑兹力F垂直于自由电子的运动速度V，所以不作功。F不作功，并不排斥F的分力可以作功。将F分解为平行和垂直于导体的两个分力f和f′，f与电子定向移动的方向一致，f′是导体向右移动时所受的阻力。因F⊥V，所以F·V=0,其中f·u是总洛仑兹力F的分力f对一个自由电子付出的功率，显然，f·u的宏观表现必定是动生电动势的电功率εI。因为当导体在磁场中运动时，其中包含的所有电子都要受到总洛仑兹力的分力f的作用，所以宏观功率应是所有自由电子共同提供的。如果该导体内自由电子的密度为n，导体的长度为L，截面积为S，那么洛仑兹力提供的总功率P=nSLf·u=（vBL）（-neuS）其中vBL＝ε－neuS＝If′是阻碍导体运动的力，为了维持导体以v的速度运动，外界必须提供大小等于f′,方向与f′相反的力－f′，显然力－f′一定与速度平行。这就表示外界为维持导体运动必须付出功率。对于导体中的每一个自由电子，外界付出的功率为f′，对于导体的个自由电子，外界付出的总功率P,=（nSL）（-f,·v）=-εI可见外界为维持导体的运动必须付出的总功率，其数值等于动生电动势的电功率，式中负号表示外界克服阻力f从以上分析可以得出这样的结论：虽然洛仑兹力并不提供能量，但在外力克服洛仑兹力的一个分力f′所作的功通过另一个分力f转化为感应电流能量的过程中，洛仑兹力传递了能量。第三节感生电动势1导体或导体回路处于静止状态而磁场随时间发生变化时，在导体或导体回路内产生的电动势叫感生电动势。现在我们分析一下产生感应电动势的原因，即非静电力是什么?前面我们学过的电荷所受的力无非是库仑力和洛仑兹力两种，但在产生感生电动势的过程中，非静电力既不是库仑力(因为无静电场，且库仑力是静电力)，又不是洛仑兹力(因为自由电荷无运动)。那么是什么力呢?麦克斯韦经过分析研究后提出感生电场的假设：即变化的磁场在其周围会激发一种电场，这种电场称为感生电场，也叫涡旋电场。在涡旋电场的作用下，导体《大学物理》电子教案4中的电荷受力运动而形成感生电动势，所以形成感生电动势的非静电力就是这种涡旋电场力，这一假设已被很多实验所证实。涡旋电场和静电场虽对电荷有力的作用，但却是性质不同的两种电场。静电场产生于电荷，是有源场，而涡旋电场产生于变化的磁场，是无源场；静电场的电力线不闭合，是无旋2．感生电动势设涡旋电场强度为E，由法拉第电磁感应定律知，=E·dl又由法拉第电磁感应定律知，在回路l和面积S不变时，ε＝dφ／dt＝－dtdB·dS=-tB·dS故E·dl=-tB·dS该式是电磁场的基本方程之一，是推广了的法拉第电磁感应定律，式中S是以l为边界的面，B/t在其与B垂直的平面内会产生感生电场Ek，Ek的环量不为零，所以是有旋场，由此原则上可求出任意涡旋电场Ek的分布和导体内的电动势εi，但由于数学上的原因，因此只有少数具有对称性的问题容易求得。例7．3．1在半径为R的长直螺线管中通有变化的电流使dB/dt为大于零的常数，试求管内外涡旋电场的分布。3．电子感应加速器如图所示,电子感应加速器主要由强大的圆形电磁铁和极间的真空室组成,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。在交变的强电流激励下，环形真空室中形成交变的磁场，交变的磁场又在环形真空室中产生很强的涡旋电场。由电子枪注入真空室的运动电子，一方面在洛仑兹力作用下作圆周运动，另一方面又在涡旋电场力作用下沿轨道切线方向加速运动，以致在几十分之一秒时间内绕轨道几十万圈，能量达到数百万电子伏。4．涡电流当交变磁场中有大块金属时，金属体内将产生感生电流，电流在金属体内自行闭合，称为涡电流，由于大块金属电阻很小，所以涡电流一般很大，交变磁场的频率越高，涡电流越大，产生的焦耳热就越多。为了避免电机和变压器铁芯中的能量损耗，因此电机和变压器的铁芯都是由硅钢片迭合而成的。利用涡电流又可作成高频感应冶金电炉，由于金属不与外界接触，因此可冶炼各种特种合金和高纯度活泼难熔金属，利用涡电流的阻尼作用，可制成各eE0FE-eF《大学物理》电子教案5种电磁阻尼装置，如图所示。（1）阻尼摆在一些电磁仪表中，常利用电磁阻尼使摆动的指针迅速地停止在平衡位置上。电镀表中的制动铝盘，也利用了电磁阻尼效应。电气火车的电磁制动器等也都是根据电磁阻尼的原理设计的。（2）高频感应炉利用金属块中产生的涡流所发出的热量使金属块熔化。具有加热速度快、温度均匀、易控制、材料不受污染等优点第四节自感和互感1．当通过一个线圈的电流发生变化时，电流产生的磁场也随之变化，从而使通过线圈自身的磁通量发生改变，因而线圈中产生了感应电动势，这种因线圈中电流变化而在线圈自身产生感应电动势的现象叫自感现象，自感现象产生的电动势叫自感电动势。由毕萨定律知，B∝I，而Φ∝B所以Φ∝I，设L为回路的自感系数，简称自感，则Φ＝LI由法拉第电磁感应定律可知，回路的自感电动势=-dtd=-LdtdI该式表明，当电流增加时，自感电动势与原来电流方向相反，当电流减少时，自感电动势与原来电流方向相同，自感系数L越大，自感作用越大。自感系数如同力学中的惯性质量和转动惯量一样，是描述回路“电流惯性”的物理量，单位是享利(H)，1H=1Ω·s。例8．4．1设长直螺线管的长为l,半径为R，总匝数为N，介质的磁导率为μ，试求解：假设流经螺线管的电流为I，则螺线管内的磁感应强度B=μ，所以通过N匝磁通链数N=NBS得L=N/I=SllN22=n2V2．互感两邻近线圈中的电流变化时互相在对方回路中产生感应电动势的现象叫互感现象，互感现象产生的感应电动势叫互感电动势。设Φ12是线圈1中电流1在线圈2中产生的磁通量，Φ21是线圈2中电流I2在线圈1中产生的磁通量，则有N1Φ12＝M12I1N2Φ21＝M21I2比例系数M21和M12是由每一线圈的形状、大小、匝数、介质及两线圈的相对位置决定的，叫互感系数，简称互感。可以证明M12=M21这样两线圈中产生的感应电动势ε12＝-MdtdI2ε21＝-MdtdI1《大学物理》电子教案6互感系数的单位也是亨(H)，大小一般由实验测定，也可由(16)式求出。例8.4.2紧绕在一起的长为l，匝数分别为N1，N2的两个长直线圈，试求线圈的互感系数与自感系数的关系。第五节磁场的能量1前述实验，当断开开关K时灯A还会亮，这能量从何而来?只能说明在电感线圈内有能量存在，这个能量是电流通过线圈时储存下的磁场能量，它的大小应等于电流从零增大到IA=l0-εidt=l0lidi=21LI2所以磁场的能量W=21LI2对于密绕螺线管L=μn2VB=μnI所以磁场能量磁场W=212BV能量密度w=21BH此式虽是从长直螺线管内磁场得到的，但可以证明它对于任何磁场都适用。对于非匀强磁场，其总磁场能量为W=dVHDdV21例8.4.1由二无限长同轴导体筒作成的电缆，通以大小相等方向相反的电流I，设内、外圆筒半径为R1和R2，试求长l2．自感与互感的应用自感元件和互感无件作为磁能的贮存和转换器件广泛应用在电工和无线电等领域，这里仅举几例说明之。(1)日光灯变压器(3)互感器(4)感应圈第六节电磁波1．位移电流首先研究一下电容的充电过程:I1SL2SI1SL2SqqEAB《大学物理》电子教案7在图所示的电容器充放电电路中存在两个问题，一个是在两板间无传导电流，因而与前面学习的“电流连续性原理”发生了矛盾；另一个是在应用安培环路定理时，由于以为边界的曲面可以是S１，也可以是S２，所以对磁场H的同一个环路积分却存在两个不同值Hｌ＝0，为了解决这一矛盾，麦克斯韦提出了位移电流假设。在上述电路中，任意时刻极板上的传导电流强度和密度为Ie=Sdtdje=dtd而在两极板之间的传导电流却为零。在充电或放电过程中，板上的电荷面密度σ随时间而变，dtdD=dtddtde=dtdD因此两极板间的电位移矢量D(D＝σ)和电位移通量与(1)式的Ie和je大小相等。麦克斯韦把这个变化的电场假设为电流，称作位移电流并令位移电流Id和位移电流密度jdId=dtdejd=dtdD即通过电场中某截面的位移电流强度等于通过该截面电位移通量的时间变化率；电场中某点一般情况下通过某截面的电流可能是传