清华大学物理学课件--电磁感应定律

电磁感应定律背景资料1821年,英国《哲学年鉴》的编辑邀请戴维撰写一篇文章，综合评述奥斯特发现电流磁效应一年来电磁学实验和理论的发展状况.戴维将这个工作交给了法拉第.法拉第花费了好几个月时间去学习总结当时的电磁学研究,发表了《电磁学发展历史概况》,这是他的电学研究的起点．“长期以来，我就持有一种观点，几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态,都有一个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。”1.法拉第的思想一、电磁感应现象的发现Fraday(1791-1867)1831年8月29日法拉第铁环两半各绕导线的实验A线圈中电流变化，在B线圈中产生感应电流2.法拉第发现电磁感应现象的四种重要实验方法同年9月24日法拉第磁棒在线圈内作相对运动的实验磁棒相对线圈运动，线圈中产生感应电流当载流线圈与闭合回路发生相对运动或线圈中电流变化时，回路中出现感应电流。10月17日，法拉第用一个电流计连接在一个线圈中，形成一个没有电源的回路。迅速将条形磁铁插入或拔出线圈，线圈回路中产生了电流。导体棒在磁场中运动，回路中出现电流不管用什么办法产生感应电流，回路都是处在一个变化的磁场中；一旦磁场变化停止，感应电流就消失。结论：1831年11月24日法拉第向英国皇家学会作了《电学的实验研究》报告，将产生电磁感应的条件概括为：①变化的电流;②运动的磁铁;③运动的稳恒电流;④在磁场中运动的导体。并将“磁生电”的现象定名为“电磁感应”。二、创造性的科学思维——磁感线与场概念的引入超距作用：远距离作用，作用不需要时间。两个并不接触的物体之间会有相互作用，如：两个天体、两个带电物体、两块磁铁、两根通电导线等等。是什么原因呢？牛顿为了解释万有引力，简单地认为引力不需要物质来传递，是一种超距作用。法拉第于1831年底用铁粉实验展示并提出了“磁力线”（现称为磁感线或磁感应线）概念。条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列法拉第认为：任何相互作用都不可能是超距的，应当通过某种媒质来传递。法拉第认为:磁感应线显示了在磁体周围空间是物理空间，其中存在“磁场”。“场”是由“力线”所组成，利用磁感应线在空间分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱。“密”表示“强”，“稀”表示“弱”。在引入了“磁感线”与“场”的概念后，法拉第将产生电磁感应的条件归结为是由于通过导线回路所包围面积的磁感线数目发生了变化.在磁感应线上某点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。几种电荷分布的电场线图类似地，可用电场线在空间的密集程度来描述电场强弱。电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。某点处的电场方向是沿电场线的切线方向，且规定为正电荷在该点的受力方向，所以电场线总是由正电荷(或无限远)指向负电荷(或无限远)。“场”概念引入的重大意义力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的描述，而且“场”的提出，表明电力和磁力是一种近距作用，即这种力是通过“场”进行传播的，不是“超距作用”。“场”的引入是物理学中极具想象力的创举，对物理学发展具有开创意义。爱因斯坦认为它的价值比电磁感应的发现高出许多。在法拉第的许多贡献中，最伟大的就是力线的概念了。我想，借助于它，就可以把电场和磁场的许多性质，以最简单而极富启发性地表示出来。开尔文对法拉第的力线评价：爱因斯坦：“想象力比知识更重要,因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”EFq利用库仑定律，可知点电荷在其周围某处的P点所产生的电场强度020rπ41rQE1．电荷所受的电场力三、带电粒子在电场和磁场中所受的力和场强的定义BqFvsinBqFv由上式可定义磁感应强度大小为：sinvqFB在国际单位制中,B的单位是特斯拉，用符号T表示mAN/1T=12．运动电荷所受的磁场力大小磁感应强度Bqmrv（1）质谱仪:实际应用vBqrvm2Bqmrv在原子核物理和高能物理实验中，用来加速带电粒子回旋加速器原理图（2）回旋加速器回旋加速器外观图3.洛伦兹力BEqFv实际应用：汤姆孙发现电子的实验中,测量带电粒子的速度以及带电粒子的荷质比，就是利用了洛伦兹公式。汤姆孙实验装置带电粒子在电磁场中受到的电磁力为:洛伦兹公式调节电场和磁场的大小，可使带电粒子不发生偏转，即洛伦兹力为零，因此BqEqvv⊥B时，有BEv已知，可去掉电场，则带电粒子将在磁场作用下偏转，半径为r，由此可得荷质比为vrBmemqv在地磁两极附近由于磁感线与地面垂直外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光绚丽多彩的极光coscosBAABΦ1Wb=12mT的单位是韦伯,用字母Wb表示Φ磁通量磁通量的定义:四、磁通量ABΦ引入磁通量后，导线回路中感应电流的产生条件归结为：通过导线回路的磁通量必须发生变化。五.楞次定律Lenz(1804-1865)楞次定律是1833年俄国物理学家楞次提出的判断感应电流方向的法则：闭合回路中产生的感应电流方向，总是使感应电流所产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。感应电流方向如何判断？问题：楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现——插入和抽出磁铁时所做的功转变为回路中的电能。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现——插入和抽出磁铁时所做的功转变为回路中的电能。六、法拉第电磁感应定律引入一个新的物理量：感应电动势tΦN当穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时,回路中产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量对时间的变化率成正比。1.Fraday电磁感应定律的数学表示：问题：怎么样定量描述电磁感应中的电流？t前后为通过导体回路的磁通量表示间隔时间的改变量为回路线圈的圈数N负号意味着总是与磁通量变化的符号相反，说明的方向总是阻止磁通量变化tΦNtΦN秒韦伯伏特1111V=1Wb/s磁通量的单位是韦伯用字母Wb表示时间的单位是秒用字母s表示感应电动势的单位是伏特用字母V表示t2.单位（国际单位制）：例：如图所示，水平面内有一半径为r=10cm的圆形闭合线圈，竖直方向上有一磁感应强度B在0.01s内从0.25T均匀减小到0.05T，如果线圈导线的电阻是4，试求：（１）该线圈上感应电动势的大小；（２）该线圈上感应电流的大小。解：由法拉第电磁感应定律：tΦN分析：B（１）感应电动势22Brcos0(0.250.05)3.140.11N1t0.010.628（伏特）tBANtNcos（２）感应电流由欧姆定律有:iR有:安培）(157.04628.0Ri感应电流:3.电磁感应现象应用举例（1）麦克风扩音器（2）发电机原理发电机的原理是通过外界不断做功，让线圈转动，使线圈中产生交流电动势，才有电能输出。发电机的原理是通过外界不断做功，让线圈转动，使线圈中产生交流电动势，才有电能输出。交流发电机动画演示：电铃、电话、地震仪、电动机……（3）其他应用：想一想：现实生活中还有那些地方运用到了电磁感应现象？电动机的工作过程刚好是发电机的逆过程，它的基本原理是通过向线圈输入交流电使线圈在磁场中转动，并带动外部机器转动，电能不断地转化为机械能。七、做一个“平凡的法拉第”1.Fraday(1791-1867)生平：1791年出生伦敦贫寒家庭1804年13岁书店当学徒1812年21岁听化学家Davy演讲1823年32岁实验室主任1824年33岁皇家学会会员1851年60岁推选为皇家学会主席被其拒绝“我必须保持平凡的法拉第以终”“我希望我一直保持只有一个称号，这就是法拉第”2.Fraday的主要著作及贡献:七卷本《日记》三卷本《电学实验研究》一卷本《化学和物理实验研究》牛顿的经典力学引起了工业革命，法拉第的电磁感应则引发了“电气革命”电磁感应定律使人类找到了机械能与电能之间的转换方法，开创了电气化时代的新纪元。“最后一条实验编号No.16041”1908第一台交流电机19世纪40年代，西欧先进的资本主义国家先后进入了电气化时代的早期阶段。电磁学的飞速发展，引发了第二次世界性技术革命浪潮，以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业生产部门，如电解、电镀、电热、电焊、电冶、电力生产和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立起来。电磁理论和电气技术的进步，把工业生产推向了历史的新高峰。火力发电厂三峡水电站西藏羊八井地区地热流体