电磁感应剖析课件

第第13章章 电磁感应电磁感应 三三 自感应互感应（分类）自感应互感应（分类）1 自感自感自身电流自身电流、回路的形状回路的形状、或、或回路周围的磁介质发生回路周围的磁介质发生变化变化时，在回路中产生感应电动势的现象。时，在回路中产生感应电动势的现象。L L的存在总是阻碍电流的的存在总是阻碍电流的变化变化。2 互感应互感应互感电动势：互感电动势：互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互影响程度互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互影响程度考察在开关合上后的一段时间考察在开关合上后的一段时间内，电路中的电流增长过程内，电路中的电流增长过程.储储存磁能。（电源提供存磁能。（电源提供）电池电池自感磁能自感磁能电源所电源所作的功作的功电源克服自电源克服自感电动势所感电动势所做的功做的功电阻上的电阻上的热损耗热损耗第第13章章 电磁感应电磁感应 四四 磁场能量磁场能量磁场的能量磁场的能量磁磁场能量密度：能量密度：单位体位体积中中储存的磁存的磁场能量能量 wm螺线管特例：螺线管特例：任意磁场任意磁场例例 同轴传输线之同轴传输线之 磁能磁能 及自感系数及自感系数可得同轴电缆可得同轴电缆的自感系数为的自感系数为附：同轴传输线自感系数附：同轴传输线自感系数自感系数自感系数自感系数自感系数计算方法计算方法归纳归纳1.静态法静态法:2.动态法动态法:3.能量法能量法:电场电场/磁场能量磁场能量F 力力U 电势差差V 速度速度I 电流流-m 惯性，阻碍性，阻碍 L 自感，阻碍自感，阻碍电流流X 位移位移Q 电量量Mv 动量量LI？磁通量？磁通量1/2mv2 动能能 1/2LI2 能量能量相同方程相同解相同方程相同解18-1918-19世纪电磁规律发现：世纪电磁规律发现：库仑库仑/安培安培/高斯高斯/毕奥毕奥-萨伐尔萨伐尔/法拉第定律法拉第定律社会生产力发展：系统的电磁学理论社会生产力发展：系统的电磁学理论1864,Maxwell1864,Maxwell电磁理论，总结电磁理论，总结 发展发展 归纳归纳预言电磁波的存在，光与电磁波的统一预言电磁波的存在，光与电磁波的统一电磁作用光速传播（否定超距作用）电磁作用光速传播（否定超距作用）麦克斯韦麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家）英国物理学家.经典经典电磁理论的奠基人电磁理论的奠基人,气体动气体动理论理论创始人之一创始人之一.他提出了他提出了有旋场和位移电流有旋场和位移电流的概念的概念,建立了建立了经典电磁理论经典电磁理论（1865）,并预言了以光速并预言了以光速传播的电磁波的存在传播的电磁波的存在.在气体在气体动理论方面动理论方面,他还提出了气他还提出了气体分子按速率分布的统计规体分子按速率分布的统计规律律.1888 年赫兹的实验证实了他的预言年赫兹的实验证实了他的预言,麦克斯韦理论麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现代电子奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景通讯技术发展开辟了广阔前景.第第1313章章 电磁感应电磁感应五五 麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论18201820年奥斯特年奥斯特电电磁磁18311831年法拉第年法拉第磁磁电电产生产生产生产生变化的磁场变化的磁场电场电场激发激发变化的电场变化的电场磁场磁场Curl electric fieldDisplacement current稳恒磁场稳恒磁场 变化磁场变化磁场磁场安培环路定理成立条件：磁场安培环路定理成立条件：稳恒电流稳恒电流/稳恒电场稳恒电场L L内内非稳恒电流（不连续）非稳恒电流（不连续）/非稳恒电场？非稳恒电场？失效失效！为什么失效为什么失效？新规律是什么？新规律是什么？1 1 位移电流位移电流包含有电容的电路包含有电容的电路非稳恒电流非稳恒电流I II I+对对 面面对对 面面+电容器破坏传导电流的连续性电容器破坏传导电流的连续性暴露矛盾暴露矛盾-提供线索提供线索问题解决途径：问题解决途径：-通过实验分析；通过实验分析；-从理论上分析，找到假说，实验验证；（科学研究从理论上分析，找到假说，实验验证；（科学研究中常用中常用麦克斯韦提出麦克斯韦提出位移电流位移电流假说，修正安培定理，使之适假说，修正安培定理，使之适合非稳恒情况。合非稳恒情况。+I II I充电过程，电流中断，自由电荷积累在极板上，电场充电过程，电流中断，自由电荷积累在极板上，电场电位移通量电位移通量极板上电荷与电流的关系：极板上电荷与电流的关系：S2S1通量主要集中在通量主要集中在S2面。电流在面。电流在S1面面.若将电通量的时间变化若将电通量的时间变化率率视为一种电流，电路连续。视为一种电流，电路连续。电通量的时间变化率：称为电通量的时间变化率：称为位移电流位移电流定义定义通过某一截面的通过某一截面的全电流全电流：通过该截面的：通过该截面的传导电流、位传导电流、位移电流移电流的的代数和代数和1）全电流连续；2）位移电流和传导电流一样激发磁场；3）传导电流产生焦耳热，位移电流不产生焦耳热.传导电流激发磁场传导电流激发磁场变化的电场（位移电流）激发磁场变化的电场（位移电流）激发磁场位移电流密度位移电流密度左旋左旋右旋右旋电磁之对称电磁之对称例例 半径半径为R,相距相距l(lR)的的圆形空气平板形空气平板电容器容器,两端两端加上交加上交变电压U=U0sin t,求求电容器极板容器极板间的的:(1)(1)位移电流位移电流;(2)(2)位移电流密度的大小位移电流密度的大小;(3)(3)位移电流激发的磁场分布位移电流激发的磁场分布B(r),rB(r),r为到圆板中心连线为到圆板中心连线的距离的距离.解：解：(1)由于由于lR,故平板故平板间可作匀可作匀强强电场处理理,(2)(2)由位移电流密度的定义由位移电流密度的定义或根据对称性或根据对称性(3)因为电容器内因为电容器内 I=0,且磁场分布应具有轴对称性且磁场分布应具有轴对称性,由全电流定律得由全电流定律得麦克斯韦认为：静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也麦克斯韦认为：静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用于一般电磁场适用于一般电磁场.2 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组位移电流位移电流与与涡旋电场涡旋电场虽然小，但其引入很重要虽然小，但其引入很重要-使方程组更令人悦目和对称使方程组更令人悦目和对称-麦克斯韦方程组导致波动方程麦克斯韦方程组导致波动方程（散度）高斯定理（散度）高斯定理（旋度）斯托克斯定理（旋度）斯托克斯定理*B真空、无电流真空、无电流j j真空*由由Maxwell方程推出，真空中，方程推出，真空中，x方向传播平面电磁波方向传播平面电磁波对比平面简谐波对比平面简谐波E：Y方向方向H:Z方向方向第第1414章章 电磁波电磁波 一、电磁波一、电磁波电磁波波动方程与机械波波动方程相似电磁波波动方程与机械波波动方程相似但但“振动振动”的不是介质中的体积元，而是电场和磁场。的不是介质中的体积元，而是电场和磁场。电磁场运动形式：电磁波电磁场运动形式：电磁波能量动量的流动能量动量的流动自持波（无需介质即可传播），当然也可在介质中传播自持波（无需介质即可传播），当然也可在介质中传播并与介质带电粒子相互作用。并与介质带电粒子相互作用。平面电磁波电磁波的主要性质电磁波的主要性质1 1、电磁波是横波、电磁波是横波,它们构成正交右旋关系它们构成正交右旋关系.相互垂直，相互垂直，2 2、同位相同位相3 3、电磁波的传播速度电磁波的传播速度只与介质的电容率和磁导率有关只与介质的电容率和磁导率有关真空中真空中光波是一种电磁波光波是一种电磁波折射率折射率n=c/u?n=c/u?4 4、伴随着能量动量的传播。能流正比于、伴随着能量动量的传播。能流正比于E E0 0的平方的平方;眼睛眼睛探测探测E E强弱强弱-光强光强波源：产生波源：产生交变交变的的电场电场/磁场？磁场？LCLC振荡电路：电容器振荡电路：电容器/自感线圈自感线圈+Q+Q-Q-Q放电放电-I-I增大增大-克服自感电动势做功克服自感电动势做功-电场能转化为电场能转化为磁场能磁场能反向充电反向充电-I-I减小减小-磁场能转化为电场能磁场能转化为电场能(类似弹簧类似弹簧振子振子)放电放电-充电，振荡频率充电，振荡频率 +Q+Q第第1414章章 电磁波电磁波 二二 电磁波的产生与传播电磁波的产生与传播L+CAL+CCLCBLCDLCEKLC 电磁振荡电路电磁振荡电路+q-qi交变的电场交变的电场/磁场磁场/电荷电荷/电流电流无阻尼振荡，能量不变无阻尼振荡，能量不变解决途径：解决途径：(1)提高回路振提高回路振荡频率率(1)振振荡频率太低率太低LC电路的路的辐射功率小（正比于射功率小（正比于4次方）次方）(2)电磁磁场仅局限于局限于电容器和自感容器和自感线圈内圈内LC回路提供了波源。但是：回路提供了波源。但是：两个缺点两个缺点：(2)实现回路的开放回路的开放从从LC振振荡电路路到振到振荡电偶极子偶极子振荡电偶极子振荡电偶极子:视为电矩作周期性变化的电偶极子视为电矩作周期性变化的电偶极子.q qq q+.q q+q q.q q+q q+q+q-.q q电偶极子的辐射过程电偶极子的辐射过程:近场区一根电场线近场区一根电场线振荡电偶极子等效于一振荡电流元振荡电偶极子等效于一振荡电流元波场区（r波长）：磁场电场线不断扩展。电场线闭合，E趋于切线方向，波面趋于球形。E H r三者垂直。电偶极子的辐射场电偶极子的辐射场各向同性介质中，可由各向同性介质中，可由波动方程解得振荡偶极波动方程解得振荡偶极子辐射的电磁波。特点子辐射的电磁波。特点 辐射具有方向性，正比于辐射具有方向性，正比于p2sin2，赤道，赤道面能量面能量辐射最射最强强。极。极轴方向无方向无球面波球面波在更远离偶极子的地方（在更远离偶极子的地方（rl），因），因 r 很大，在通常的很大，在通常的研究范围内，研究范围内，的变化很小，的变化很小，的振幅可看作的振幅可看作恒量，因而恒量，因而平面电磁波方程平面电磁波方程平面电磁波平面电磁波将电磁波按将电磁波按波波长长或或频率频率的顺的顺序排列成谱序排列成谱760nm400nm 可见光 电 磁 波 谱红外线 紫外线 射 线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波放射性原子衰变放射性原子衰变/高能粒子与原子核对撞高能粒子与原子核对撞内层电子被轰击内层电子被轰击外层电子跃迁外层电子跃迁电磁振荡产生电磁振荡产生基本思路：基本思路：恒定电流恒定电流非恒定电流非恒定电流但但 恒定恒定+