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1、上页上页下页下页第第6 6章章 电磁感应电磁感应 电磁波电磁波6.1电磁感应基本定律电磁感应基本定律6.2动生电动势动生电动势感生电动势感生电动势6.3自感和互感自感和互感6.4磁场的能量磁场的能量6.5麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组6.6电磁场与人类文明电磁场与人类文明上页上页下页下页 一、电磁感应现象一、电磁感应现象静电场、稳恒电流的磁场静电场、稳恒电流的磁场不随时间而变化不随时间而变化如果随时间而变化如果随时间而变化什么现象？、什么规律？什么现象？、什么规律？三个实验现象三个实验现象NSFmAB当穿过一个闭合导体回路所围面积的当穿过一个闭合导体回路所围面积的磁磁通量通量发生发生变化变化时（
2、不论这种变化是由什时（不论这种变化是由什么原因引起的），在回路中就有电流产么原因引起的），在回路中就有电流产生生该现象称为该现象称为电磁感应现象电磁感应现象。产生的电流称为产生的电流称为感应电流感应电流相应的电动势为相应的电动势为感应电动势感应电动势。结论：结论：6.1 电电磁感应基本定律磁感应基本定律上页上页下页下页 二、法拉第电磁感应定律二、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：通过回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就有感通过回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就有感应电动势产生，而感应电动势正比于磁通量的对时间变化率应电动势产生，而感应电动势正比于磁通量的对时间
3、变化率的负值。的负值。在国际单位制中在国际单位制中(1)若回路是若回路是 N 匝密匝密绕线绕线圈圈(2)若若闭闭合回路中合回路中电电阻阻为为R(3)感应电荷为感应电荷为讨论：讨论：磁通链数磁通链数上页上页下页下页1.1.由法拉第电磁感应定律判定由法拉第电磁感应定律判定三、楞次定律三、楞次定律2.2.楞次定律楞次定律确定感应电动势方向的方法：确定感应电动势方向的方法：步骤步骤:a.a.先任意规定一个方向为回路的正方向，且先任意规定一个方向为回路的正方向，且回路所围面积的正法线与其构成右手螺旋；回路所围面积的正法线与其构成右手螺旋；b.b.确定磁通量的正负确定磁通量的正负c.c.由法拉第电磁感应定
4、律由法拉第电磁感应定律确定感应电动势的确定感应电动势的方向方向,若为正，则与回路正向一致，若为负，若为正，则与回路正向一致，若为负，则相反。则相反。闭合回路中感应电流的方向，总是使它所产生的磁场去闭合回路中感应电流的方向，总是使它所产生的磁场去反抗反抗引引起感应电流的起感应电流的原来磁通量的变化原来磁通量的变化。反抗反抗变化变化上页上页下页下页长直导线通有交流电长直导线通有交流电I=I0sint,其中其中I0和和是大于零的常数是大于零的常数,在长在长直导线旁平行放置一直导线旁平行放置一N N匝矩形线圈匝矩形线圈,线圈平面与直导线共面线圈平面与直导线共面.已已知线圈长为知线圈长为l,宽为宽为b,
5、线圈靠近直线的一边距导线的距离为线圈靠近直线的一边距导线的距离为d.解解：通过面积元通过面积元dS的磁通量的磁通量 （选顺时针方向为正）（选顺时针方向为正）例例1 1:求：求：线框中的感应电动势线框中的感应电动势通过整个线圈的磁通量通过整个线圈的磁通量 通过通过N N匝线圈的磁通量匝线圈的磁通量 则回路中的感应电动势则回路中的感应电动势 上页上页下页下页解解：例例2 2:求：求：线圈中的感应电动势线圈中的感应电动势穿过单匝线圈的磁通量穿过单匝线圈的磁通量 穿过穿过N匝线圈的磁通量匝线圈的磁通量 由法拉第电磁感应定律得由法拉第电磁感应定律得 如图所示，在均匀磁场中面积为如图所示，在均匀磁场中面积
6、为S S，匝数为，匝数为N N的平面线圈，以角的平面线圈，以角速度速度绕绕垂直于磁感垂直于磁感应应强强度度的的轴轴OO匀速转动匀速转动,当当t=0t=0时时,线圈平面法线线圈平面法线 与与 之间的夹角为之间的夹角为 。RiOONBen在任意时刻在任意时刻t t,线圈平面法线线圈平面法线 与与 之间的夹角为之间的夹角为令：令：交流发电机交流发电机的制造原理的制造原理上页上页下页下页法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：通过回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就有感通过回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中就有感应电动势产生，而感应电动势正比于磁通量的对时间变化率应电动势产生，而感应电动势正比
7、于磁通量的对时间变化率的负值。的负值。小结：小结：楞次定律：楞次定律：闭合回路中感应电流的方向，总是使它所产生的磁场去闭合回路中感应电流的方向，总是使它所产生的磁场去反抗反抗引引起感应电流的起感应电流的原来磁通量的变化原来磁通量的变化。N 匝密匝密绕线绕线圈：圈：感感应电应电流：流：感应电荷：感应电荷：上页上页下页下页M.M.法拉第法拉第(1791(17911869)1869)伟大的物理学家、化学家、伟大的物理学家、化学家、1919世纪世纪最伟大的实验大师。右图为法拉第用过的螺绕环最伟大的实验大师。右图为法拉第用过的螺绕环上页上页下页下页楞次楞次，(1804(180418651865年年)楞次
8、是俄国物理学家和地球物理学家，生于爱沙尼亚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观测活动，发现并正确的多尔帕特。早年曾参加地球物理观测活动，发现并正确解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象，解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象，18451845年倡导组织了俄国地球物理学会。年倡导组织了俄国地球物理学会。18361836年至年至18651865年任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。圣彼得堡大学教授，兼任海军和师范等院校物理学教授。楞次主要从事电学的研究。楞次主要从事电学的研究。18321832年当他知道了法拉第年当他
9、知道了法拉第研究研究“磁生电磁生电”取得了成功，很受鼓舞，也开始进行一系取得了成功，很受鼓舞，也开始进行一系列电磁实验。列电磁实验。18331833年楞次把他的工作总结在年楞次把他的工作总结在论动电感应论动电感应引起的电流的方向引起的电流的方向一文中，指出感应电流的方向是这样一文中，指出感应电流的方向是这样确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。后方向相反。这对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。后被称为楞次定律，这一定律表明，电磁感应现象也是尊从被称为楞次定律，这一定律表明，电磁感应现象
10、也是尊从能量守恒定律的。能量守恒定律的。18421842年，几乎在同时，楞次还和焦耳各自独立地确定年，几乎在同时，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了电流热效应的规律，这就是大家熟知的焦耳楞次定楞次定律。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；并建立了电磁铁吸力正比于磁化电流二率与温度的关系；并建立了电磁铁吸力正比于磁化电流二次方的定律。次方的定律。楞次除发表过一些论文外，还著有楞次除发表过一些论文外，还著有物理学手册物理学手册一一书，于书，于18641864年出版。年出版。上页上页下页下页
11、一一个个电电荷荷q在在磁磁场场B中中以以速速度度 运运动动时时，该该电电荷荷所所受的磁场力受的磁场力(也称为洛仑兹力也称为洛仑兹力)为为1.洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力的大小洛仑兹力的大小f=q Bsin 式式中中:为为电电荷荷的的运运动动方方向向与与所所在在点点磁磁场场B的方向之间的夹角。的方向之间的夹角。+qfB 说明说明(1)洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故对电荷不作功对电荷不作功，只改变运动方向而不改变速率和动能，只改变运动方向而不改变速率和动能5.6 磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用上页上页下页下页2.带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运
12、动 因为洛仑兹力因为洛仑兹力f=q Bsin=0，所以带电粒子在，所以带电粒子在磁场中作匀速直线运动。磁场中作匀速直线运动。带电粒子作匀速率圆周运动。圆周运动的半径和带电粒子作匀速率圆周运动。圆周运动的半径和周期分别为周期分别为 BB （2）若若q0,则则f 的方向与的方向与B 的方向相同的方向相同;若若q0,则则f 的方向与的方向与B的方向相反。的方向相反。上页上页下页下页回旋加速器回旋加速器以上两式是以上两式是磁聚焦磁聚焦,回旋加速器回旋加速器的基本的基本理论依据理论依据 与与B有一夹角有一夹角 B=cos =sin 上页上页下页下页 此此时时，带带电电粒粒子子一一方方面面以以=sin 在
13、在垂垂直直于于B的的平平面面内内作作圆圆周周运运动动,同同时时又又以以 =cos 沿沿磁磁场场B的的方向作匀速直线运动方向作匀速直线运动。这两种运动叠加的结果这两种运动叠加的结果是粒子以是粒子以B的方向为轴线作的方向为轴线作等螺距螺旋线运动。等螺距螺旋线运动。范艾伦辐射带范艾伦辐射带磁瓶磁瓶上页上页下页下页3.霍耳效应霍耳效应在一个通有电流的导体在一个通有电流的导体(或半导体或半导体)板上，若垂直于板上，若垂直于板面施加一磁场，则在与电流和磁场都垂直的方向板面施加一磁场，则在与电流和磁场都垂直的方向上上,板面两侧会出现微弱电势差板面两侧会出现微弱电势差霍耳效应霍耳效应a（1）实验结果实验结果l
14、dIb（2）原理原理横向电场阻碍电子的偏转横向电场阻碍电子的偏转洛伦兹力使洛伦兹力使电子偏转电子偏转上页上页下页下页当达到动态平衡时：当达到动态平衡时：(霍耳系数霍耳系数)(1)通过测量霍耳系数可以确定导电体中载流子浓度通过测量霍耳系数可以确定导电体中载流子浓度;是是研究半导体材料性质的有效方法（浓度随杂、研究半导体材料性质的有效方法（浓度随杂、温度等变化）温度等变化）r讨论讨论上页上页下页下页+n型半导体型半导体p型半导体型半导体(2)区分半导体材料区分半导体材料 霍耳系数的正负与载流子电荷性质有关霍耳系数的正负与载流子电荷性质有关上页上页下页下页理论曲线理论曲线量子霍耳效应量子霍耳效应B崔
15、琦、施特默：更强磁场下崔琦、施特默：更强磁场下克里青：半导体在低温克里青：半导体在低温强磁场强磁场m=1、2、3、1985年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖1998年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖实验曲线实验曲线物理物理知识知识上页上页下页下页例题例题质谱仪测粒子的荷质比质谱仪测粒子的荷质比实实验验：加加速速电电压压U，均均匀匀磁磁场场B，粒粒子子垂垂直直入入射射，进进口口到到胶胶片片记记录录位位置置间间距距为为D，计算粒子的计算粒子的Q/m值。值。解：粒子进质谱仪时动能解：粒子进质谱仪时动能进磁场后做匀速率圆周运动，进磁场后做匀速率圆周运动，DRU上页上页下页下页重点和难点：重点和难点：洛仑兹力洛仑兹力运动电荷在磁场中的运动规律运动电荷在磁场中的运动规律半径与周期：半径与周期：霍耳效应霍耳效应