大学物理教程课件讲义第九章电磁场与麦克斯韦方程组.ppt

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1、大学物理教程第9章电磁场与麦克斯韦方程组9.1电磁感应定律9.2产生感应电动势的机理9.3磁场能量9.4麦克斯韦方程组9.1电磁感应定律电磁感应实验现象9.1.11820年，奥斯特发现了电流的磁效应，从一个侧面揭示了长期以来一直被认为是彼此独立的电现象和磁现象之间的联系。既然电流可以激发磁场，人们自然想到，磁场是否也能产生电流?于是，许多科学家开始对这个问题进行探索和研究。图9.1所示为法拉第最早成功的电磁感应实验。9.1电磁感应定律图9.1法拉第最早的电磁感应实验9.1电磁感应定律为了深入研究电磁感应现象，法拉第等人还做过许多其他实验，大致可以归结为两类.一

2、类是当一个不含电源的闭合导体回路与磁铁，如图9.2(a)所示，或另一个载流线圈如图9.2(b)所示，有相对运动时，闭合回路中出现电流；另一类是当一个线圈中的电流发生变化时，在它附近的另一个不含电源的闭合导体回路中出现电流，如图9.2(c)所示。9.1电磁感应定律图9.2两类电磁感应现象9.1电磁感应定律楞次定律9.1.2在图9.3(a)中，当磁铁插入线圈时，穿过线圈的磁通量增加，按照楞次定律，感应电流激发的磁通量应与原磁通量反向；再根据右手螺旋法则，可知感应电流的方向如导线中箭头所示。反之，当磁铁拔出时，穿过线圈的磁通量在减少，感应电流的方向如图9.3(b)所

3、示。当穿过闭合的导线回路所包围的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感应电流，此感应电流的方向是使它自己所产生的磁场穿过回路面积的磁通量，去抵偿引起感应电流的磁通量的改变。9.1电磁感应定律图9.3磁通量增减与感应电流的方向9.1电磁感应定律法拉第电磁感应定律9.1.3如图9.4(a)所示,当正向穿过回路包围面积的磁通量增加时，感应电动势为负；当正向穿过回路包围面积的磁通量减少时，感应电动势为正，如图9.4(b)所示。当然，也可选与图9.4相反的方向作为回路绕行正向，判断感应电动势的方法与图9.4类似。用这种方法确定感应电动势方向的方法和用楞次定律确定的方

4、向完全一致。9.1电磁感应定律图9.4感应电动势的方向9.2产生感应电动势的机理动生电动势9.2.1磁场不变，导体或导体回路在磁场中运动而产生的电动势称为动生电动势.我们先讨论一个大家熟悉的例子。如图9.7所示。图9.7动生电动势9.2产生感应电动势的机理电荷的运动破坏了原有的平衡，洛伦兹力又使自由电子不断地沿导体由b向a运动，以维持a、b两端的电势差，使回路中有持续电流。由此可见，运动中的导体ab确实相当于一个电源，如图9.8所示。图9.8动生电动势原理图9.2产生感应电动势的机理在上一章中，我们已经知道洛伦兹力总是与电荷运动方向垂直，不对运动电荷做功。那么

5、，这里洛伦兹力又怎么能在磁场中运动的导体内搬运电荷做功，充当动生电动势的非静电力呢？如图9.9所示图9.9洛伦兹力做功分析9.2产生感应电动势的机理例9.3如图9.10所示，一金属棒OA长l=50cm，在大小为B=0.50×10－4Wb·m－2,方向垂直纸面向内的均匀磁场中，以一端O为轴心做逆时针的匀速转动，转速ω为2rad/s。试求此金属棒的动生电动势，哪一端电势高?图9.10例9.3图9.2产生感应电动势的机理感生电动势与感生电场9.2.21.感生电动势导体不动而磁场B变化时出现感生电动势，由此推断导体中的电子一定是因为B的变化而受到一个力。迄今

6、为止，已经认识了两种电荷所受的力，一是电荷受到其他电荷激发的电场对它施加的静电场力；图9.12给出了一个典型的感生电场。图9.12感生电场9.2产生感应电动势的机理如图9.13所示。这就是感生电场与变化磁场之间的关系，是电磁场的基本方程之一。图9.13变化磁场与感生电场9.2产生感应电动势的机理2.感生电场感生电场与静电场的起因和性质截然不同，静电场是由电荷激发的，是一种有源保守场；感生电场是由变化磁场激发的，是一种无源、非保守场。它们的共同点在于对场中电荷都有力的作用。如图9.14所示。图9.14例9.5图9.2产生感应电动势的机理3.电子感应加速器——应

7、用感生电场来加速电子图9.15所示为1940年由美国物理学家克斯特制造的电子感应加速器。它是利用变化磁场激发的感生电场加速电子。其原理是在电磁铁的两磁极间放一个真空室，电磁铁是由交流电来激磁的。图9.15电子感应加速器9.2产生感应电动势的机理满足上式，电子就可在半径为R的轨道上运动。如图9.16所示。图9.16涡旋电场方向9.2产生感应电动势的机理4.涡电流感应电流不仅能够在导电回路内出现，在一些电气设备中，常常遇到大块金属导体在磁场中运动或处在变化的磁场中，此时在金属导体中也会产生感应电流，这种电流在金属导体内部自成闭合回路，称为涡电流。如图9.17所示

8、。图9.17涡电流9.2产生感应电动势