大学物理第20讲 电磁感应定律.ppt

第11章 电磁感应 Electromagnetic Induction 1820 年奥斯特发现了电流的磁效应，在整个欧洲大陆激起了极大反响。 1821 年，英国一家有名望的杂志《哲学年鉴》邀请著名科学家戴维撰写文章，综合评述一年来电磁学实验和理论发展的概况。他将任务交给了助手法拉第。 法拉第在搜集材料的过程中，仔细分析了电流的磁效应现象，总结出电流与磁作用的几个方面，并将电与磁的作用作了对比： 1 电磁感应现象的发现 类比应有 磁铁 使近旁铁器 感应带磁（磁化） 电荷 使近旁导体 感应带电 电流 使近旁线圈 感应电流 ？ 电流可以产生磁场，磁场是否也能产生电流呢？ 电 流 磁 场 产 生 ? 法拉第实际上是提出了这样一个问题： 法拉第在他的日记中断言：磁能够转化成电 经过四次的失败后，1831年夏，法拉第第五次回到“磁生电”的课题上来，终于获得了突破性的进展，他发现了电磁感应的第一个效应。 S N I 法拉第(Michael Faraday 1791－1867) 电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅为揭示电与磁之间的相互联系和转化奠定实验基础，促进了电磁场理论的形成和发展，而且为人类广泛利用电能开辟了道路，成为第二次工业和技术革命的开端。 感应电流 1831年法拉第 闭合回路 变化 实验 产生 11.1 电磁感应定律 一 电磁感应现象 磁棒相对线圈运动得越快，感应电流就越大。 现象一 一个线圈的两端接在检流计上，构成测量回路。 当磁棒相对线圈运动时，线圈中产生感应电流。 感应电流的方向与磁棒的运动方向及磁极的方向有关。 两个彼此靠得很近的线圈相对静止，线圈 A 和检流计相连。B 线圈与直流电源、电阻器、电键连接成回路。 现象二 接通或断开线圈 B 中的电流，在线圈A 中会产生类似于现象一的情形。 将一根与电流计连成测量回路的导体棒放在均匀磁场中，当导体棒在恒定磁场中切割磁感应线时，就会在回路中产生感应电流。导体棒运动得越快，感应电流越大。 现象三 在现象一和现象二中，线圈回路中的磁场发生了变化，在现象三中，回路中的磁场并没有变化，但回路面积发生了变化。在这三种情况下，有一点是共同的：即穿过闭合导体回路的磁通量都发生了变化。 当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，不管这种变化是什么原因引起的，在导体回路中就会产生感应电流。这就是电磁感应现象。 也就是说： 电动势 electromotive force （emf） 形成 产生 当通过回路的磁通量变化时，回路中就会感生电流，说明回路中出现了感应电动势。 二 电磁感应定律 1 法拉第定律 (Faraday law) 因回路的磁通量的变化而产生的电动势叫感应电动势。感应电动势可以在非导体回路中产生，尽管此时无感应电流。感应电流只是回路中存在感应电动势的外在表现。 法拉第注意到磁铁相对线圈运动的速率越大，线圈中感生的电流就越大。在1851年他总结出：通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与磁通量对时间的变化率成正比： 在SI制中，k = 1，即 对N匝线圈，表达式中磁通量必须用整个回路磁通链（即全磁通）取代： 称为磁通链 ( magnetic flux linkage ) 式中 负号的意义是什么呢？ 由于电动势和磁通量都是标量, 因此, 它们的“正负”相对于某一指定的方向才有意义。用法拉第电磁感应定律确定电动势的方向, 通常遵循以下步骤 : 任意规定回路的绕行正方向。 确定通过回路的磁通量的正负：如果通过回路的磁场(感应线)方向与回路正方向成右手螺旋关系，就规定该磁通量为正，反之为负。 确定磁通量的时间变化率的正负。 最后确定感应电动势的正负。当感应电动势为正时，表示感应电动势的方向和回路的绕行正方向相同；当感应电动势为负时，表示感应电动势的方向和回路的绕行正方向相反。 A B C D 2 楞次定律 ( Lenz law ) 1833 年, 俄国物理学家楞次在概括了大量实验事实的基础上, 总结出一条判断感应电流方向的规律, 称为楞次定律。 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感应电流的磁通量的变化。 感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。 楞次定律也可简练地表述为： 总是反抗或补偿 导线运动 感应电流 阻碍 产生 磁通量变化 感应电流 产生 阻碍 感应电流的效果 引起感应电流的原因 当将磁铁棒N 极插