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1、1 电磁感应现象揭示了电与磁之间的联系和转化，为人类获取电能开辟了道路，引起了一场重大的工业和技术革命。电流磁场，磁场电流？经过失败和挫折(18221831)，法拉第终于发现：感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。在恒定电流的磁场中，导线中无电流法拉第感到迷惑。第1页/共51页2 1831年法拉第总结出以下五种情况都可产生感应电流：变化着的电流，运动着的恒定电流，在磁场中运动着的导体，变化着的磁场，运动着的磁铁。第2页/共51页3 1832年法拉第发现，在相同的条件下，不同金属导体中产生的感应电流的大小，与导体的电导率成正比。他认为，当通过回路的磁力线根数(即磁通量)变化时，回路里就
2、会产生感应电流，从而揭示出了产生感应电动势的原因。他意识到：感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的；即使不形成导体回路，这时不存在感应电流，但感应电动势却仍然有可能存在。第3页/共51页410.1 法拉第电磁感应定律10.3 感生电动势和感生电场10.5 自感 10.2 动生电动势10.4 互感 10.6 磁场的能量10.7 超导的电磁特性（教材P354-368）目 录【演示实验】发光二极管演示电磁感应、万用变压器演示涡流（跳圈、加热）、涡流的阻力（磁体在铝管内运动）、涡流阻尼摆、超导磁悬浮列车第4页/共51页5 当穿过闭合导体回路所限定的面积的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电流。1
3、0.1 法拉第电磁感应定律闭合导体闭合回路的正方向：L 的方向的正方向：与L 成右手螺旋感应电动势：【演示实验】发光二极管演示电磁感应第5页/共51页6感应电流的磁场 阻碍磁通量的变化SS第6页/共51页7N 匝线圈情况：涡流（Eddy current）：大块导体处于变化磁场中，或相对于磁场运动，导体内产生闭合的涡旋状的感应电流。电磁灶和变压器铁芯异步电动机【演示实验】万用变压器演示涡流（跳圈、加热）、涡流的阻力（磁体在铝管内运动）、涡流阻尼摆磁链第7页/共51页8磁通可按不同方式变化感应电动势:感生电动势一般情况：磁场变化 同时 回路运动 :动生电动势磁场变化、回路静止磁场恒定、回路运动【思
4、考】非静电力是什么？感生电场Lorentz力第8页/共51页910.2 动生（motional）电动势 回路或其一部分相对恒定磁场运动，引起穿过回路的磁通变化 动生电动势。非静电力：动生电动势：【思考】点b、a间的电势+-baf【思考】?第9页/共51页10 xxxxxxxxxxxxxxxx 任意形状的导线回路L，在恒定磁场中运动或形变，回路中产生的动生电动势为第10页/共51页11外【例】Lorentz 力不作功，只传递能量。Lorentz 力不作功是指第11页/共51页12外力作功 感生电流能量外第12页/共51页13【例】法拉第圆盘（金属）R 切割 B 线 动生电动势第13页/共51页1
5、410.3 感生电动势和感生电场场的观点：变化的磁场在其周围空间激发感生电场 产生感生电动势的非静电力场 回路静止，仅由磁场的变化引起穿过回路的磁通变化所产生的电动势 感生（induced）电动势第14页/共51页15 即使没有导体存在，变化的磁场也会在空间激发涡旋状的感生电场（非静电场）L 的方向：的正方向微分形式：“变化的磁场会激发电场”第15页/共51页16【例】电子感应加速器（Betatron）B 轴对称E感 轴对称？加速vE感加速Lorentz力指向圆心第16页/共51页17任何电场都可以写成其中因此，任何电场都满足第17页/共51页18真空中电场的基本规律微分形式：积分形式：第18
6、页/共51页19计算感应电动势的两个公式1、通量法则2、按感生和动生电动势计算第19页/共51页2010.4 互感 互感电动势不仅与电流改变的快慢有关，而且也与两个线圈的结构以及它们之间的相对位置有关。一个线圈中电流的变化，在另一线圈中产生感应电动势，这称为互感现象。这种电动势称为互感电动势。第20页/共51页2121 I1 的磁场B1通过线圈2的磁链由毕奥萨定理：M21线圈1对2 的互感系数的正向与 成右手螺旋。1、线圈1电流I1变化 线圈2感生电动势第21页/共51页22感生电动势：2、线圈2 电流I2变化 线圈1感生电动势M12 线圈2对1 的互感系数第22页/共51页23可以证明（P3
7、39 例10.9）无铁磁质时，M与两个线圈中的电流无关，只由线圈的形状、大小、匝数、相对位置及周围磁介质的磁导率决定。但有铁磁质时，M 还与线圈中的电流有关。第23页/共51页24 通过互感线圈使能量或信号由一个线圈传递到另一个线圈。由于互感，电路之间会互相干扰。可采用磁屏蔽等方法来减小这种干扰。三、互感的应用 例如电源变压器、中周变压器、输入、输出变压器以及电压和电流互感器等。第24页/共51页25【例】长直螺线管内放一垂直圆环，求互感。设螺线管通电流i1，通过圆环的磁链i1【思考】设圆环通过电流 i2，求 M.第25页/共51页26系数L（0）自感系数、自感 当电流 I 变化时，通过该线圈
8、的全磁通（磁链）也发生变化，因而在这个线圈中将产生感生电动势 自感电动势10.5 自感第26页/共51页27 自感的应用：稳流，LC电路（振荡，滤波），灭弧保护 自感电动势 的正方向取为电流 的方向，否则式中负号消失！第27页/共51页28【例】求总自感 L总电动势II第28页/共51页29总电动势：总自感：1、顺接I 磁场彼此加强，自感电动势和互感电动势同向。第29页/共51页30总自感：2、反接I设 磁场彼此减弱，自感电动势和互感电动势反向。总电动势：若，则。第30页/共51页31：螺线管体积【例】求长直螺线管的自感系数第31页/共51页32【例】RL电路1、充电第32页/共51页33 时
9、间常数 表示电流与其最大值的差变为最大值的 所经过的时间。时间常数:第33页/共51页342、放电电流随时间按指数规律减少。第34页/共51页35【例】趋肤效应 直流电路均匀导线横截面上的电流密度均匀分布。但在交流电路中，随着频率的提高，导线横截面上的电流分布越来越向导线表面集中，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应使导线的有效截面积减小，从而使其等效电阻增大。波导管交变电磁场涡流趋肤效应第35页/共51页3610.6 磁场的能量一、自感磁能断开电源，灯为什么还亮一下？线圈中磁场具有能量第36页/共51页37自感电动势做功消耗自感线圈中的能量第37页/共51页38通有电流I的自感线圈L的磁能自感磁能
10、总取正值第38页/共51页39【例】(教材P339,例10.9)两互相邻近的互感为M的线圈的电流分别为I1和I2，求磁能。当两线圈产生的磁场相互加强（减弱）时，取正（负）号。结论：（互感磁能）（自感磁能）第39页/共51页40二、磁场的能量磁能定域在磁场中。以填充非铁磁介质的长直螺线管为例磁场能量密度：第40页/共51页41电磁场的能量密度在普遍情况下第41页/共51页42三、通过磁场能求自感按磁链求，通过磁场能求?第42页/共51页4310.7超导的电磁特性（教材P354-368）1911年翁纳斯(K.Onnes，荷兰)首次发现：电阻(W)0T(K)4.24.3Hg 后来相继发现 28 种元
11、素、5000多种合金和化合物以及在高压下15种元素都有超导电性。液氦(TC=4.2K,临界温度)中的固态Hg样品的电阻突然趋于零（1913年诺贝尔物理奖）第43页/共51页44 一些超导材料的临界温度 物质 Tc(K)发现年代 汞(Hg)4.2 1911 铅(Pb)7.2 1913 铌(Nb)9.2 1930 钒三硅 17.1 1953 铌铝锗 20.5 1967 铌三锗 23.2 1973 YBa2Cu3O790 1987 高温超导第44页/共51页45一、零电阻性超导环实验：将磁场中的铅环冷却 TC=7.2K 以下，撤去磁场，环中产生感应电流。2.5年内未发现电流有衰减！超导铅环第45页/
12、共51页46二、完全抗磁性（Meissner 效应，1933）超导体内部的磁场总为零，磁通总是被排出超导体外。磁场B并非在超导体表面突降为零,而是渗入表面一薄层后变为零。透入深度 10-5 cm。厚度 10-5 cm的超导薄膜，不可能有迈斯纳效应。第46页/共51页47完全抗磁性实验：将条形磁铁放在超导铅碗（浸在液氦中的铅碗）中。因超导铅碗的抗磁性对磁铁产生的斥力，磁铁悬浮在碗的上方。一块磁铁悬浮在已进入超导态的超导材料上第47页/共51页48超导态的临界参量：临界温度 Tc临界磁场 Bc临界电流密度 Jc任一临界参量超过阈值 超导态变成正常态理想导体：零电阻性，无“完全抗磁性”超导体：零电阻性+完全抗磁性第48页/共51页49三、超导技术的应用超导输电线铜线 容许电流密度 10-2 A/cm2超导线(如Nb3Sn芯线)105 A/cm2可省去变电设备，采用直流输电方式我校超导中心（立斋）超导电磁铁核磁共振仪，高能加速器均需强磁场B=5T的普通电磁铁 20吨超导电磁铁 几公斤第49页/共51页50我国西南交大研制的世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车第50页/共51页51感谢您的观看！第51页/共51页