大學物理-電磁感應定律與動生電動勢

1、大學物理學電子教案,電磁感應定律與動生電動勢,13-1 電磁感應定律13-2 動生電動勢和感生電動勢(上),,復 習,磁介質、磁化強度磁介質 磁介質的磁化 磁化強度磁介質中的安培環(huán)路定理 磁場強度磁介質中的安培環(huán)路定律磁場強度與磁感應強度的關系鐵磁質鐵磁質的特性 磁疇磁化曲線 磁滯回線 鐵磁性材料,第十三章,電磁感應 電磁場,電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁

2、學發(fā)展史上的一個重要成就，它進一步揭示了自然界電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。,在理論上，它為揭示電與磁之間的相互聯(lián)系和轉化奠定實驗基礎，促進了電磁場理論的形成和發(fā)展；在實踐上，它為人類獲取巨大而廉價的電能開辟了道路，標志著一場重大的工業(yè)和技術革命的到來。,法拉第(Michael Faraday 1791—1867),,偉大的英國物理學家和化學家。主要從事電學、磁學、磁光學、電化學方面的研究，并在這些領域取得了一系列重大發(fā)現(xiàn)。他創(chuàng)

3、造性地提出場的思想，是電磁理論的創(chuàng)始人之一。1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，后又相繼發(fā)現(xiàn)電解定律，物質的抗磁性和順磁性，以及光的偏振面在磁場中的旋轉。,13-1 電磁感應定律,一、電磁感應現(xiàn)象,1、電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),1820年，Oersted發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應1831年11月24日，F(xiàn)araday發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象1834年，Lenz在分析實驗的基礎上，總結出了判斷感應電流分向的法則1845年，Neumann借助于安培的分析，從矢

4、勢的角度推出了電磁感應電律的數學形式。,2、電磁感應的幾個典型實驗,感應電流與N-S的磁性、速度有關,與有無磁介質速度、電源極性有關,與有無磁介質開關速度、電源極性有關,感生電流與磁感應強度的大小、方向，與截面積S變化大小有關。,感生電流與磁感應強度的大小、方向，與線圈轉動角速度大小方向有關。,通過一個閉合回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時，不管這種變化是由什么原因引起的，回路中就有電流產生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象。感應電

5、流：由于通過回路中的磁通量發(fā)生變化，而在回路中產生的電流。感應電動勢：由于磁通量的變化而產生的電動勢叫感應電動勢。,3、結論,演示1 演示2 演示3 演示4 演示5,二、法拉第電磁感應定律,單位:1V=1Wb/s,? 與 L 反向,? 與L 同向,2、電動勢方向:,1、內容：當穿過閉合回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時，不論這種變化是什么原因引起的，回路中都有感應電動勢產生，并且感應電動勢正比于磁通量對時間變化率的負值。

6、,,確定回路繞行方向；規(guī)定電動勢的方向與回路的繞行方向一致時為正。根據回路的繞行方向，按右手螺旋法則定出回路所包圍面積的正法線方向；在根據回路所包圍面積的正法線方向，確定磁通量的正負；根據磁通量變化率的正負來確定感應電動勢的方向。,磁通鏈數:,3、討論：若有N匝線圈，它們彼此串聯(lián)，總電動勢等于各匝線圈所產生的電動勢之和。令每匝的磁通量為? 1、 ? 2 、 ? 3 ?,若每匝磁通量相同,閉合回路中的感應電流,感應電量,t1時刻磁通

7、量為Ф1，t2時刻磁通量為Ф2,回路中的感應電量只與磁通量的變化有關，而與磁通量的變化率無關。用途：測磁通計。,三、楞次定律,楞次（Lenz,Heinrich Friedrich Emil）,楞次是俄國物理學家和地球物理學家，生于愛沙尼亞的多爾帕特。早年曾參加地球物理觀測活動，發(fā)現(xiàn)并正確解釋了大西洋、太平洋、印度洋海水含鹽量不同的現(xiàn)象，1845年倡導組織了俄國地球物理學會。1836年至1865年任圣彼得堡大學教授，兼任海軍和師范等院校

8、物理學教授。,楞次主要從事電學的研究。楞次定律對充實、完善電磁感應規(guī)律是一大貢獻。1842年，楞次還和焦耳各自獨立地確定了電流熱效應的規(guī)律，這就是大家熟知的焦耳——楞次定律。他還定量地比較了不同金屬線的電阻率，確定了電阻率與溫度的關系；并建立了電磁鐵吸力正比于磁化電流二次方的定律。,,1、內容：閉合回路中感應電流的方向總是使得它所激發(fā)的磁場來阻止引起感應電流的磁通量的變化。,1834年楞次提出一種判斷感應電流的方法，再由感應電流來判斷

9、感應電動勢的方向。,,演示,2、應用：判斷感應電動勢的方向,問題：將磁鐵插入非金屬環(huán)中，環(huán)內有無感生電動勢？有無感應電流？環(huán)內將發(fā)生何種現(xiàn)象,有感生電動勢存在，有電場存在將引起介質極化，而無感生電流。,,,3、楞次定律與能量守恒定律感應電流產生的磁場力（安培力），將反抗外力。即可以說外力反抗磁場力做功，從而產生感應電流轉化為電路中的焦耳熱，這是符合能量守恒規(guī)律的。,否則只需一點力開始使導線移動，若洛侖茲力不去阻撓它的運動，將有

10、無限大的電能出現(xiàn)，顯然，這是不符合能量守恒定律的。,,,例．交流發(fā)是電機原理：面積為S的線圈有N匝，放在均勻磁場B中，可繞OO’軸轉動，若線圈轉動的角速度為ω，求線圈中的感應電動勢。,解：設在t=0時，線圈平面的正法線n方向與磁感應強度B的方向平行，那么，在時刻t，n與B之間的夾角θ=ωt，此時，穿過匝線圈的磁通量為：,由電磁感應定律可得線圈中的感應電動勢為：,令εm=NBω，則 εi=εmsinωt令ω=2πf，則 εi

11、=εmsin2πftΕi 為時間的正弦函數，為正弦交流電，簡稱交流電。,演示,13-2 動生電動勢和感生電動勢,引起磁通量變化的原因有兩種：1．磁場不變，回路全部或局部在穩(wěn)恒磁場中運動——動生電動勢2．回路不動，磁場隨時間變化——感生電動勢當上述兩種情況同時存在時，則同時存在動生電動勢與感生電動勢。,1、從運動導線切割磁場線導出動生電動勢公式,等于導線單位時間切割磁場線的條數。,2、從運動電荷在磁場中所受的洛侖茲力導出動

12、生電動勢公式,一、動生電動勢,,3、動生電動勢產生過程中的能量轉換,每個電子受的洛侖茲力,洛侖茲力對電子做功的代數和為零,對電子做正功,反抗外力做功,結論：洛侖茲力的作用并不提供能量，而只是傳遞能量，即外力克服洛侖茲力的一個分量 f⊥所做的功，通過另一個分量 f//轉換為動生電流的能量。實質上表示能量的轉換和守恒。,4、動生電動勢的計算,閉合導體回路,不閉合回路,例1：一根長度為L的銅棒，在磁感應強度為B的均勻的磁場中，以角速度w 在與

13、磁場方向垂直的平面上繞棒的一端O作勻速運動，試求銅棒兩端之間產生的感應電動勢的大小。,解法2：用法拉第電磁感應定律,解法1：按定義式解,例2：法拉第電機，設銅盤的半徑為 R，角速度為?。求盤上沿半徑方向產生的電動勢。,解:法拉第電機可視為無數銅棒一端在圓心，另一端在圓周上，即為并聯(lián)，因此其電動勢類似于一根銅棒繞其一端旋轉產生的電動勢。,,小 結,電磁感應定律電磁感應的基本現(xiàn)象法拉第電磁感應定律楞次定律動生電動勢和感生電動