(精品)2013电磁感应-动生电动势.ppt

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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案理工大学教学课件理工大学教学课件电磁感应定律与动生电动势电磁感应定律与动生电动势17-1 电磁感应定律电磁感应定律17-2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势(上上)重点重点法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律楞次定律楞次定律动生电动势动生电动势难点难点动生电动势的计算动生电动势的计算电电 流流磁磁 场场产产 生生感应电流感应电流 1831年法拉年法拉第第闭合回路闭合回路变化变化实验实验产生产生第十七章第十七章电磁感应电磁感应 电磁场电磁场主要内容主要内容电磁感应定律电磁感应定律动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势自感、互感和磁场能量自感、

2、互感和磁场能量麦克斯韦的涡旋电场和位移电流麦克斯韦的涡旋电场和位移电流麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组法拉第法拉第(Michael Faraday 17911867)伟大的英国物理学家和化学家。伟大的英国物理学家和化学家。主要从事电学、磁学、磁光学、电化学主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现。列重大发现。他创造性地提出场的思想，是电磁理论他创造性地提出场的思想，是电磁理论的创始人之一。的创始人之一。1831年发现电磁感应现象，后又相继发年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁性，现电解定律，物质的抗磁性

3、和顺磁性，以及光的偏振面在磁场中的旋转。以及光的偏振面在磁场中的旋转。重点重点法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律楞次定律楞次定律动生电动势动生电动势难点难点动生电动势的计算动生电动势的计算准备知识：准备知识：什么是什么是电动势电动势？1.1.电路中的电流是如何维持连续流动的电路中的电流是如何维持连续流动的?*在外电路中在外电路中,静电场力作静电场力作功推动电荷流动功推动电荷流动.结结论论正电荷在电源内受到指正电荷在电源内受到指向电源负极的静电力，向电源负极的静电力，但仍向正极运动。但仍向正极运动。正电荷到达负极后怎样运动？正电荷到达负极后怎样运动？17-1 电磁感应定律电磁感应定律ABCD为

4、了维持电流的持续流动为了维持电流的持续流动,在在电源内部一定存在有一种电源内部一定存在有一种非非静电力静电力,它能够克服静电力而它能够克服静电力而作功作功,维持电流的连续维持电流的连续.2 2 非静电场与非静电力非静电场与非静电力定定义义单位正电荷所受的非静电力为单位正电荷所受的非静电力为非静电场强度非静电场强度点电荷在非静电场中所受的非静电力为点电荷在非静电场中所受的非静电力为:非静电力对点电荷所做的功为非静电力对点电荷所做的功为:非静电力不是保守力非静电力不是保守力,沿闭合回沿闭合回路作功不一定为零路作功不一定为零 :3.电源电动势电源电动势 电源的电动势等于把单位正电荷从负极经内电路移动

5、到电源的电动势等于把单位正电荷从负极经内电路移动到正极时所做的功，单位为正极时所做的功，单位为伏特伏特。电源的电动势的电源的电动势的方向方向规定：自负极经内电路指向正极。规定：自负极经内电路指向正极。电源迫使正电荷电源迫使正电荷dq从负极经电源内部移动到正极所做的从负极经电源内部移动到正极所做的功为功为dA，电源的，电源的电动势电动势为为 从电源内部：负极从电源内部：负极正极。正极。物理意义：电源内部非静电力对单位正电物理意义：电源内部非静电力对单位正电荷作功的本领的大小的度量荷作功的本领的大小的度量q在整个回路中绕行一周，非静电力所做的功为：在整个回路中绕行一周，非静电力所做的功为：电动势虽

6、然是标量，电动势虽然是标量，但有方向：电源负极但有方向：电源负极正极。正极。一、一、电磁感应现象电磁感应现象实验一、磁棒插入线圈实验一、磁棒插入线圈NSGABE实验二、线圈实验二、线圈B B插入线圈插入线圈A A 现象：现象：现象：现象：有相对运动，产生感应电流，速度越有相对运动，产生感应电流，速度越快，电流越大；且运动方向不同，电快，电流越大；且运动方向不同，电流方向也不同。流方向也不同。插入与拔出，线圈都中有感应电流产插入与拔出，线圈都中有感应电流产生；速度越快，电流越大；且插入与生；速度越快，电流越大；且插入与拔出方向不同，电流方向也不同。拔出方向不同，电流方向也不同。实验三、线圈实验三

7、、线圈B B中的电流发生变化中的电流发生变化 电流变化，产生感应电流；电流变化越快，产生感应电电流变化，产生感应电流；电流变化越快，产生感应电流越大；电流增加或减小，产生电流的方向不同。流越大；电流增加或减小，产生电流的方向不同。现现象象 结论：结论：线圈线圈A A周围的周围的磁场发生变化磁场发生变化，线圈，线圈A A中将中将产生感应产生感应电流电流；变化；变化越快越快，电流，电流越大越大；且电流有一定的方向性。；且电流有一定的方向性。导体运动，产生感应电流；运动速导体运动，产生感应电流；运动速度越大，感应电流越大；运动方向度越大，感应电流越大；运动方向不同，感应电流方向不同。不同，感应电流方

8、向不同。实验四、导体作切割磁力线运动实验四、导体作切割磁力线运动结论：结论：磁场不变，线框磁场不变，线框面积变面积变，产生感应电流。产生感应电流。现现象象G通过一个闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时，不通过一个闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时，不管这种变化是由什么原因引起的，回路中就有电流产生，管这种变化是由什么原因引起的，回路中就有电流产生，这种现象称为这种现象称为电磁感应现象电磁感应现象。感应电流感应电流：由于通过回路中的磁通量发生变化，而在回路：由于通过回路中的磁通量发生变化，而在回路中产生的电流。中产生的电流。感应电动势感应电动势：由于磁通量的变化而产生的电动势叫感应电：由于

9、磁通量的变化而产生的电动势叫感应电动势。动势。2、结论、结论二、二、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律单位单位:1V=1Wb/s 与与 L 反向反向 与与L 同向同向2、电动势方向、电动势方向:1、内容：、内容：当穿过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，不论这种当穿过闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，不论这种变化是什么原因引起的，回路中都有感应电动势产生，并且变化是什么原因引起的，回路中都有感应电动势产生，并且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。负号表示感应电动势负号表示感应电动势总是反抗磁通量的变化总是反抗磁通量的变化 若磁感线与若磁感

10、线与 的法线间夹角为钝角，的法线间夹角为钝角，则则 为负。为负。若磁感若磁感 线与线与 的法线间夹角为锐角，的法线间夹角为锐角，则则 为正；为正；我们规定：回路我们规定：回路L的绕行方向与回路包围的面积的面元的绕行方向与回路包围的面积的面元 的法线方向的法线方向构成一个右手螺旋系统。构成一个右手螺旋系统。的正负号：的正负号：和和L L 方向绕行一致为正方向绕行一致为正,反之为负反之为负的正负号：的正负号：磁通链数磁通链数:3、讨论：、讨论：若有若有N匝线圈，它们彼此串联，总电动势等于各匝线圈所产生匝线圈，它们彼此串联，总电动势等于各匝线圈所产生的电动势之和。令每匝的磁通量为的电动势之和。令每匝

11、的磁通量为 1、2、3 若每匝磁通量相同若每匝磁通量相同闭合回路中的闭合回路中的感应电流感应电流感应电量感应电量t1时刻磁通量为时刻磁通量为1，t2时刻磁通量为时刻磁通量为2回路中的感应电量只与磁通量的变化有关，而与磁通量回路中的感应电量只与磁通量的变化有关，而与磁通量的变化率无关。的变化率无关。用途：测磁通计。用途：测磁通计。线圈内磁场变化线圈内磁场变化导线或线圈在磁场中运动导线或线圈在磁场中运动两两类类实实验验现现象象感感应应电电动动势势感生电动势感生电动势动生电动势动生电动势产生原因、规律不相同产生原因、规律不相同都遵从电磁感应定律都遵从电磁感应定律（结束）（结束）三、楞次定律三、楞次定

12、律楞次（楞次（Lenz,Heinrich Friedrich Emil）楞次是俄国物理学家和地球物理学家，生于楞次是俄国物理学家和地球物理学家，生于爱沙尼亚的多尔帕特。早年曾参加地球物理爱沙尼亚的多尔帕特。早年曾参加地球物理观测活动，发现并正确解释了大西洋、太平观测活动，发现并正确解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象，洋、印度洋海水含盐量不同的现象，1845年年倡导组织了俄国地球物理学会。倡导组织了俄国地球物理学会。1836年至年至1865年任圣彼得堡大学教授，兼任海军和师年任圣彼得堡大学教授，兼任海军和师范等院校物理学教授。范等院校物理学教授。楞次主要从事电学的研究。楞次定律对充

13、实、完善电磁感应规律楞次主要从事电学的研究。楞次定律对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。是一大贡献。1842年，楞次还和焦耳各自独立地确定了电流热效年，楞次还和焦耳各自独立地确定了电流热效应的规律，这就是大家熟知的焦耳应的规律，这就是大家熟知的焦耳楞次定律。他还定量地比楞次定律。他还定量地比较了不同金属线的电阻率，确定了电阻率与温度的关系；并建立较了不同金属线的电阻率，确定了电阻率与温度的关系；并建立了电磁铁吸力正比于磁化电流二次方的定律。了电磁铁吸力正比于磁化电流二次方的定律。1、内容：、内容：闭合回路中感应电流的方向总是使得它所激发的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引起

14、感应电流的磁通量的变化。磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。1834年楞次提出一种判断感应电流的方法，再由感应电流年楞次提出一种判断感应电流的方法，再由感应电流来判断感应电动势的方向。来判断感应电动势的方向。演示演示2、应用：判断感应电动势的方向、应用：判断感应电动势的方向问题：问题：将磁铁插入非金属环中，环内将磁铁插入非金属环中，环内有无感生电动势？有无感应电流？环有无感生电动势？有无感应电流？环内将发生何种现象内将发生何种现象有感生电动势存在，有电场存在有感生电动势存在，有电场存在将引起介质极化，而无感生电流。将引起介质极化，而无感生电流。非金属环非金属环3、楞次定律与楞次定律与能量守恒

15、定律能量守恒定律感应电流产生的磁场力（安培力），将反抗外力。即可以感应电流产生的磁场力（安培力），将反抗外力。即可以说外力反抗磁场力做功，从而产生感应电流转化为电路中说外力反抗磁场力做功，从而产生感应电流转化为电路中的焦耳热，这是符合能量守恒规律的。的焦耳热，这是符合能量守恒规律的。否则只需一点力开始使否则只需一点力开始使导线移动，若洛仑兹力导线移动，若洛仑兹力不去阻挠它的运动，将不去阻挠它的运动，将有无限大的电能出现，有无限大的电能出现，显然，这是不符合能量显然，这是不符合能量守恒定律的。守恒定律的。例一例一 一长直导线通以电流 ，旁边一个共面的矩形线圈 abcd。求线圈中的感应电动势。已知

16、：，ab 边与直线相距为 x。解：解：规定顺时针方向为回路正方向，穿过回路的磁通量为线圈中的感应电动势为讨论：讨论：由楞次定律可得相同结果。由楞次定律可得相同结果。17-2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势引起磁通量变化的原因有两种：引起磁通量变化的原因有两种：1磁场不变，回路全部或局部在稳恒磁场中运动磁场不变，回路全部或局部在稳恒磁场中运动动动生电动势生电动势2回路不动，磁场随时间变化回路不动，磁场随时间变化感生电动势感生电动势当上述两种情况同时存在时，则同时存在动生电动势与感生当上述两种情况同时存在时，则同时存在动生电动势与感生电动势。电动势。正负电荷积累在导体内建立电场正负电

17、荷积累在导体内建立电场达到动态平衡，不再有宏观定达到动态平衡，不再有宏观定向运动，则向运动，则每个电子受到方向向上的洛仑兹力为每个电子受到方向向上的洛仑兹力为 导体导体 ab 相当一个电源，相当一个电源，a 为负为负极（低电势），极（低电势），b 为正极（高电为正极（高电势），势），洛仑兹力就是非静电力洛仑兹力就是非静电力。-非静电力非静电力 克服静电力克服静电力 作作功，将正电荷由功，将正电荷由 a 端（负极）端（负极）通过电源内部搬运到通过电源内部搬运到 b 端（正端（正极）。极）。则单位正电荷所受的非则单位正电荷所受的非静电力即非静电场强为静电力即非静电场强为一、动生电动势一、动生电动势

18、 根据电动势定义，运动导体根据电动势定义，运动导体 ab上的动生电动势为上的动生电动势为 即将单位正电荷，通过电源内部从负极移到正极，即将单位正电荷，通过电源内部从负极移到正极，非静电力所作的功非静电力所作的功。即动生电动势等于运动导体在单位时间内切割的磁感应线数。即动生电动势等于运动导体在单位时间内切割的磁感应线数。2、动生电动势的计算、动生电动势的计算沿导线假定电动势的一个指向；沿导线假定电动势的一个指向；循电动势的指向，在导线上循电动势的指向，在导线上任取任取一个线元矢量一个线元矢量 ；根据根据 的速度的速度 和该处的和该处的 以及两者之间的夹角以及两者之间的夹角求求 ；设矢量设矢量 与

19、与 之间的小于之间的小于180的夹角为的夹角为，则，则循电动势的指向，对上式积分循电动势的指向，对上式积分判断电动势方向，若电动势大于零表明电动势方向与指向判断电动势方向，若电动势大于零表明电动势方向与指向一致假定指向的箭头方向为正极另一端为负极，否则相反。一致假定指向的箭头方向为正极另一端为负极，否则相反。均匀磁场均匀磁场非均匀磁场非均匀磁场计计算算动动生生电电动动势势分分 类类方方 法法平动平动转动转动闭合导体回路闭合导体回路不闭合回路不闭合回路例例 1 已知已知:求求:+La均匀磁场均匀磁场 导线平动和转动导线平动和转动解：解：与L方向一致特例特例+闭合线圈平动闭合线圈平动均匀磁场均匀磁

20、场 平动平动闭合线圈平动闭合线圈平动直导线平动直导线平动有一半圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁力线运动有一半圆形金属导线在匀强磁场中作切割磁力线运动求：动生电动势。求：动生电动势。例例2:已知：已知：+R作辅助线作辅助线abab，形成闭合回路。，形成闭合回路。方向：方向：方法一方法一解：解：方法二方法二方向：方向：B dvd lvB+R例例3：一根长度为一根长度为L的铜棒，在磁感应强度为的铜棒，在磁感应强度为B的均匀的磁场中，的均匀的磁场中，以角速度以角速度 在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端在与磁场方向垂直的平面上绕棒的一端O作匀速运动，作匀速运动，试求铜棒两端之间产生的感应电动势的大小。试

21、求铜棒两端之间产生的感应电动势的大小。解法解法2：用法拉第电磁感应定律：用法拉第电磁感应定律解法解法1：按定义式解：按定义式解例例4：法拉第电机，设铜盘的半径为：法拉第电机，设铜盘的半径为 R，角角速度为速度为。求盘上沿半径方向产生的电动势。求盘上沿半径方向产生的电动势。解解:法拉第电机可视为无数铜棒一法拉第电机可视为无数铜棒一端在圆心，另一端在圆周上，即为端在圆心，另一端在圆周上，即为并联，因此其电动势类似于一根铜并联，因此其电动势类似于一根铜棒绕其一端旋转产生的电动势。棒绕其一端旋转产生的电动势。例例5，如图所示的直角三角形，如图所示的直角三角形ABC金属框放在磁场中，金属框放在磁场中，A

22、B边平行边平行于磁场的方向，于磁场的方向，BC边垂直于磁场的方向，线圈以逆时针旋转时，边垂直于磁场的方向，线圈以逆时针旋转时，求回路求回路ABC中的动生电动势及各边的动生电动势。中的动生电动势及各边的动生电动势。ABCab解：用法拉第电磁感应定律求总的电动势因为B，S都不变，故：AB边的电动势：边的电动势：BC边的电动势：边的电动势：ABCabdrr CA边的电动势不好求。先求出边的电动势不好求。先求出BC边的电动势，其值的边的电动势，其值的负数即为负数即为CA边的电动势。边的电动势。abIl方法一方法一解：解：方向方向例例6:一直导线一直导线CD在一无限长直电流磁场中作切割磁力线运动。在一无

23、限长直电流磁场中作切割磁力线运动。求：动生电动势。求：动生电动势。方法二方法二abI作辅助线，形成闭合回路作辅助线，形成闭合回路CDEF方向方向若金属棒与水平方向成角，其产生的电动势大小为总结总结利用利用求解动生电动势的思路求解动生电动势的思路1、分析导线各部分速度、分析导线各部分速度(大小、方向大小、方向)2、分析各部分、分析各部分(大小、方向大小、方向)3、假定电动势方向在、假定电动势方向在导体内部沿某个方向导体内部沿某个方向,然后判断然后判断4、求积分，如果结果为正说明电动势与假设方向一致，否、求积分，如果结果为正说明电动势与假设方向一致，否则相反则相反 例例 已知：已知：求：求：解解1 1：方向方向方向方向顺时针指向顺时针指向解解2：顺时针指向顺时针指向小小 结结电磁感应定律电磁感应定律电磁感应的基本现象电磁感应的基本现象法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律楞次定律楞次定律动生电动势和感生动生电动势和感生电动势电动势动生电动势动生电动势作业作业思考题：思考题：P118 1，3，4，5习习 题：题：P119 17-1，17-4，17-5预预 习：习：17-3