1,電磁學(xué)小論文競賽啟動啦,趕快準備吧！,電磁感應(yīng)和暫態(tài)過程,電磁感應(yīng)定律,動生電動勢,感生電動勢有旋電場,渦旋場,自感和互感,電感和電容電路的暫態(tài)過程,磁場的能量,要求：,1.掌握用法拉第定律和楞次定律計算感生電動勢及方向；2.理解感生電動勢和動生電動勢的產(chǎn)生原因；3.了解自感與互感，能計算簡單回路的L，M；4.能計算簡單磁場的Wm。,法拉第：MichaelFaraday,1791-1867,1.生于英國倫敦附近的一個鐵匠家庭2.13歲當(dāng)報童、裝訂工3.1812年，學(xué)徒期満，師從化學(xué)家戴維，游歷歐洲4.1821年，讀奧斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的論文。磁生電？5.1831年觀察到磁生電。期間，安培也做過電流感應(yīng)實驗：恒定電流失敗,法拉第：實驗概括,1.變化的電流2.變化的磁場3.運動的恒定電流4.運動的磁鐵5.磁場中運動的導(dǎo)體,亨利:J.Henry,1799-1878美國，同時發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律,磁鐵插入或抽出時，電流計指針偏轉(zhuǎn)。,1、,磁鐵不動時，電流計指針不偏轉(zhuǎn)。,磁鐵移動速度越快，電流計指針偏轉(zhuǎn)越大。,通電線圈替代磁鐵，出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。,磁鐵插入或抽出時，電流計指針偏轉(zhuǎn)方向相反。,電磁感應(yīng)定律,電磁感應(yīng)定律,2、,G,A,K,K閉合和打開瞬間,電流計指針偏轉(zhuǎn)，方向相反.,3、,a,b,ab左右滑動時,電流計指針偏轉(zhuǎn)。,8,9,當(dāng)穿過一個閉合導(dǎo)體回路所包圍的面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，在導(dǎo)體回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。,注意,由于線圈中插入鐵芯后，線圈中的感應(yīng)電流大大增加，這說明感應(yīng)電流的產(chǎn)生是因為磁感應(yīng)強度的變化。,二、楞次定律,閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流具有確定的方向，感應(yīng)電流總是使它所激發(fā)的磁場來阻止引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。,三、法拉第電磁感應(yīng)定律,通過回路中的磁通量發(fā)生變化時，在回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通量的變化成正比。,n,確定感生電動勢的大小、方向,判斷的方法,推廣,n,匝,渦電流,一、渦電流的產(chǎn)生,前面討論了變化的磁場要在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。對于大塊的金屬導(dǎo)體處在變化的磁場時，導(dǎo)體內(nèi)也會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬導(dǎo)體內(nèi)形成閉合回路，稱為渦電流。,二、渦電流的熱效應(yīng),根據(jù)電流的熱效應(yīng)，可利用渦電流產(chǎn)生熱量，如工業(yè)中用的坩堝及電磁爐等。,15,三、渦電流的電磁阻尼,如圖，根據(jù)楞次定律，磁場對渦電流的作用要阻礙擺的運動，故使擺受到一個阻尼力的作用。,17,趨膚效應(yīng)(skineffect),當(dāng)交變電流通過導(dǎo)線時，電流密度在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的，并隨著電流變化頻率的升高，電流將越來越集中于導(dǎo)線的表面附近，導(dǎo)線內(nèi)部的電流卻越來越小的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。,引起趨膚效應(yīng)的原因就是渦流。,渦流i的方向在導(dǎo)體內(nèi)部總與電流I變化趨勢相反，阻礙I變化，在導(dǎo)體表面附近，卻與I變化趨勢相同。交變電流不易在導(dǎo)體內(nèi)部流動，而易于在導(dǎo)體表面附近流動，形成趨膚效應(yīng)。,18,J0:導(dǎo)體表面的電流密度ds:趨膚深度d:從導(dǎo)體表面算起的深度,銅導(dǎo)線室溫下：,19,由于趨膚效應(yīng)的產(chǎn)生，使導(dǎo)線通過交變電流的有效截面積減小了，導(dǎo)線的電阻增大了。,應(yīng)用于金屬表面熱處理。若使高頻強電流通過金屬導(dǎo)體，或?qū)⒔饘賹?dǎo)體置于交變磁場中，由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體表面溫度上升，當(dāng)升至淬火溫度時，迅速冷卻，使表面硬度增大。而導(dǎo)體內(nèi)部的溫度還遠低于淬火溫度，在迅速冷卻后仍保持韌性。這種熱處理方法稱為表面淬火。,改善方法：一是采用相互絕緣的細導(dǎo)線束來代替總截面積與其相等的實心導(dǎo)線，實際上是抑制渦流；另一種方法是在導(dǎo)線表面鍍銀,實際上是降低導(dǎo)線表面的電阻率。,動生電動勢,磁場中運動的導(dǎo)線內(nèi)的感應(yīng)電動勢,公式,解釋：金屬中的電子受洛倫茲力推廣到一般形式,消耗外力的功率,一.在磁場中運動的導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,洛倫茲力作用,導(dǎo)體本身速度V,導(dǎo)線中的電荷運動：,相對導(dǎo)體的定向速度U,正功,負功,洛倫茲力作用：不提供能量，傳遞能量,安培力對導(dǎo)體作負功，外界對導(dǎo)體作正功,二.在磁場中轉(zhuǎn)動的線圈內(nèi)的感應(yīng)電動勢,其中：是常量,、I稱交變電動勢和交變電流,設(shè)：,23,交流發(fā)電機,感生電動勢有旋電場,1.靜電荷激發(fā)電場,在自然界中存在著兩種以不同方式激發(fā)的電場，所激發(fā)電場的性質(zhì)也截然不同。,這說明由靜止電荷所激發(fā)的電場是保守力場（無旋場），在該場中電場強度沿任一閉合回路的線積分恒等于零。,2.變化磁場激發(fā)電場,它揭示了電場和磁場是相互聯(lián)系的。變化磁場激發(fā)的感生電場沿任一閉合回路的線積分一般不等于零。,說明：1）有旋電場是變化的磁場激發(fā)的；2）感生電場不是保守力場，其電場線既無起點也無終點，永遠是閉合的，象旋渦一樣。因此，通常把感生電場稱為有旋電場。,變化的磁場在空間激發(fā)渦旋電場，與空間是否有導(dǎo)體無關(guān),感應(yīng)電場區(qū)別于靜電場的一個重要特點是環(huán)流不為零,環(huán)流不為零的場：非保守場，渦旋場,環(huán)流為零的場：保守場，勢場,S以L為周界的任意曲面。,L,S1,S2,變化的磁場也是無源場。,27,電子感應(yīng)加速器,加速圓周運動,基本問題：,環(huán)形室R約1.5米,B,t,o,加速,加速,減速,減速,向心力,周期引出,應(yīng)用：核物理高速電子轟擊靶，發(fā)出強電磁輻射。產(chǎn)生硬X射線，工業(yè)探傷，醫(yī)學(xué)治療,電子動量隨B成比例增加，R可以不變，電子作軌道運動。,29,b,a,o,X,Y,XXXXXXXXXXXXXXX,oa=ob=r,db/dt=C,求a,b兩點電勢差,1、跨二、三、四象限的園弧導(dǎo)線,2、跨一象限的園弧導(dǎo)線,3、沒有導(dǎo)線,逆時針為正,電動勢與電勢差區(qū)別：,電動勢：非靜電力產(chǎn)生，與路徑有關(guān)，兩點電動勢沒有意義,電勢差：由E勢產(chǎn)生，兩點位置決定，與路徑無關(guān)，感應(yīng)電動勢是在導(dǎo)體中維持某種電荷（電流）分布的必要條件。,例：,M,N,O,求管內(nèi)外渦旋電場導(dǎo)線MN上感應(yīng)電動勢M，N點電勢差,電子感應(yīng)加速器中，電子加速所得的能量來自那里？,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,XXXX,一段直導(dǎo)線在均勻磁場中如圖運動，那種有感應(yīng)電動勢？方向如何？,c,d,a,b,31,一卡通工作原理,一卡通工作時，由專門的射頻讀寫器向卡片發(fā)出一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個IC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。在這個電荷的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲。當(dāng)所積累的電荷達到一定大小時，此電容可作為電源供電。該電流為MPU（MicroProcessorUnit）提供能源并同時加載一定形式的數(shù)據(jù)信息。MPU先與讀卡機同步，從FLASHROM中取得卡片身份資料，與讀卡機進行驗證。驗證完成后，對FLASHROM內(nèi)的金額數(shù)據(jù)進行操作。操作成功后向讀卡機發(fā)送數(shù)據(jù)，由讀卡機向使用者顯示余額等信息。,32,自感與互感,不論何種方式只要能使穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，此閉合回路內(nèi)就會有感應(yīng)電動勢出現(xiàn)。,引起磁通量變化的原因是多種多樣的，必須依據(jù)情況作具體分析。,如圖，依場疊加原理知，穿過回路1的磁通量為：,33,則，回路1的電動勢為：,自感電動勢,互感電動勢,34,一、自感,1.自感現(xiàn)象,35,由疊加原理：,磁鏈：,自感系數(shù)：,定義：某回路的自感，在數(shù)值上等于通有單位電流時，穿過回路的全磁通。,與回路形狀、大小、匝數(shù)及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。,由畢-薩定律：,2.自感系數(shù),(1)定義：,36,(2)物理意義,由法拉第定律,若為常數(shù),描述線圈電磁慣性的大小；基本的電器元件。,一定,線圈阻礙變化能力越強。,L單位：亨利（H）,常用：,37,(3)計算：求L的步驟(與求電容C類似),例1求長直螺線管自感系數(shù)(),設(shè)長直螺線管載流I,解：,提高L的途徑,增大V,提高n,放入值高的介質(zhì),實用,38,五.互感,1.互感現(xiàn)象,一個載流回路中電流變化，引起鄰近另一回路中產(chǎn)生感生電動勢的現(xiàn)象互感現(xiàn)象；這兩個回路互感耦合回路,互感電動勢,39,2.互感系數(shù),定義當(dāng)線圈幾何形狀、相對位置、周圍介質(zhì)磁導(dǎo)率均一定時,實驗、理論均證明：,第一種定義式,互感系數(shù),兩個線圈的互感M在數(shù)值上等于其中一個線圈中的電流為一單位時，穿過另一個線圈所圍面積的磁通量。,40,(2)物理意義,當(dāng)一個回路中電流變化率為一個單位時，在相鄰另一回路中引起的互感電動勢的絕對值。,第二種定義式,M的單位與L相同：亨利（H）,M的值通常用實驗方法測定，一些較簡單的可用計算方法求得。,41,(3)計算,例兩同軸長直密繞螺線管的互感如圖所示，有兩個長度均為，半徑分別為r1和r2(且r1r2)，匝數(shù)分別為N1和N2的同軸長直密繞螺線管。試計算它們的互感。,解：設(shè)內(nèi)管r1通電流I1,42,穿過外管的磁通量：,同理：設(shè)外管r2通電流I2,43,穿過內(nèi)管的磁通量：,44,兩螺線管共軸，且：完全耦合兩螺線管軸相互垂直，：不耦合,一般情況：,（）,耦合系數(shù)，取決于兩線圈的相對位置及繞法。,自感的串聯(lián)與并聯(lián),感應(yīng)電動勢正向與合磁通和正向滿足右手定則，與電流方向一致。L0,互感磁通與自感磁通同向：M0,互感磁通與自感磁通反向：M0,同名端：電流從同名端流入時，同一線圈的互感磁通與自感磁通同向,異名端：電流從異名端流入時，同一線圈的互感磁通與自感磁通反向,串聯(lián)順接,同名端并聯(lián),逆接,異名端并聯(lián),并聯(lián),暫態(tài)過程,一RL的電路的暫態(tài)過程,1.K1通K2斷,暫態(tài)過程:在階躍電壓作用下，從開始變化到逐漸趨于穩(wěn)態(tài)的過程。,2.K1斷K2通,撤去電源后，由于自感的存在，電流并不立即降為零，而是逐漸減小。,由于自感的存在，電流不是立刻達到無自感時電流的穩(wěn)定值Imax，而是由零逐漸達到這一數(shù)值，用=L/R來表示電流增長的快慢程度，稱為電流的弛豫時間。,t=：,K1通K2斷,K2通K1斷,（二）RC的電路的暫態(tài)過程,1.充電過程,2.放電過程,K1通K2斷,K2通K1斷,LR和RC電路暫態(tài)過程的特點,（三）微分電路,產(chǎn)生尖脈沖,充電過程,放電過程,（四）積分電路,充電過程,放電過程,LRC暫態(tài)過程,充電過程,二階線性常系數(shù)微分方程,放電過程,充電過程,欠阻尼,過阻尼,RC電路,臨界阻尼,磁場的能量,1.電場的能量密度,2.磁場的能量密度,3.自感為L，回路電流I0，產(chǎn)生的磁場能,載流線圈的磁能,電源消耗能量,電阻消耗能量,反抗感應(yīng)電動勢做功,線圈的磁能,全磁通,電感磁能表達式,多個載流線圈的磁能,自感,互感,電源在第i