变化的电磁场习题思考题.doc

8习题1616-1如图所示，金属圆环半径为R，位于磁感应强度为的均匀磁场中，圆环平面与磁场方向垂直。当圆环以恒定速度在环所在平面内运动时，求环中的感应电动势及环上位于与运动方向垂直的直径两端a、b间的电势差。解：（1）由法拉第电磁感应定律，考虑到圆环内的磁通量不变，所以，环中的感应电动势；（2）利用：，有：。【注：相同电动势的两个电源并联，并联后等效电源电动势不变】16-2如图所示，长直导线中通有电流，在与其相距处放有一矩形线圈，共1000匝，设线圈长，宽。不计线圈自感，若线圈以速度沿垂直于长导线的方向向右运动，求线圈在图示位置时的感应电动势。解法一：利用法拉第电磁感应定律解决。首先用求出电场分布，易得：，则矩形线圈内的磁通量为：，由，有：当时，有：。解法二：利用动生电动势公式解决。由求出电场分布，易得：，考虑线圈框架的两个平行长直导线部分产生动生电动势，近端部分：，远端部分：，则：。16-3电流为的无限长直导线旁有一弧形导线，圆心角为，几何尺寸及位置如图所示。求当圆弧形导线以速度平行于长直导线方向运动时，弧形导线中的动生电动势。解法一：（用等效法）连接、，圆弧形导线与、形成闭合回路，闭合回路的电动势为0，所以圆弧形导线电动势与直导线的电动势相等。，。解法二：（直接讨论圆弧切割磁感应线）从圆心处引一条半径线，与水平负向夹角为，那么，再由有：，。16-4电阻为的闭合线圈折成半径分别为和的两个圆，如图所示，将其置于与两圆平面垂直的匀强磁场内，磁感应强度按的规律变化。已知，求线圈中感应电流的最大值。解：由于是一条导线折成的两个圆，所以，两圆的绕向相反。，。16-5匀强磁场中有一长方形导线框，分别以相同的角速度绕图a、b、c、d所示的固定转轴旋转，如图16-43所示。证明：四种情况下线圈中感应电流的最大值相等。解：由法拉第电磁感应定律，其中，为线圈平面的法线方向与磁场B的夹角。则电动势的大小为，为线圈旋转的角速度大小。电动势的最大值为，电流的最大值为，R为线圈的电阻。对于题设的四种情况，因线圈的面积相同，旋转角速度相同，则四种情况下的最大电流均相同。16-6如图所示，半径为的长直螺线管中，有的磁场，一直导线弯成等腰梯形的闭合回路，总电阻为，上底为，下底为，求：（1）段、段和闭合回路中的感应电动势；（2）、两点间的电势差。解：（1）首先考虑，而；再考虑，有效面积为，同理可得：；那么，梯形闭合回路的感应电动势为：，逆时针方向。（2）由图可知，所以，梯形各边每段上有电阻，回路中的电流：，逆时针方向；那么，。16-7圆柱形匀强磁场中同轴放置一金属圆柱体，半径为，高为，电阻率为，如图所示。若匀强磁场以（为恒量）的规律变化，求圆柱体内涡电流的热功率。解：在圆柱体内任取一个半径为，厚度为，高为的小圆柱通壁，有：，即：，由电阻公式，考虑涡流通过一个环带，如图，有电阻：，而热功率：，。16-8一螺绕环，每厘米绕匝，铁心截面积，磁导率，绕组中通有电流，环上绕有二匝次级线圈，求：（1）两绕组间的互感系数；（2）若初级绕组中的电流在内由降低到0，次级绕组中的互感电动势。解：已知匝，。（1）由题意知螺绕环内：，则通过次级线圈的磁链：，；（2）。16-9磁感应强度为B的均匀磁场充满一半径为R的圆形空间B，一金属杆放在如图14-47所示中位置，杆长为2R，其中一半位于磁场内，另一半位于磁场外。当时，求：杆两端感应电动势的大小和方向。解：，而：，；，即从。16-10一截面为长方形的螺绕环，其尺寸如图所示，共有N匝，求此螺绕环的自感。解：如果给螺绕环通电流，有环内磁感应强度：则，有：利用自感定义式：，有：。 RcbdaOq16-11均匀磁场被限制在半径R =10 cm的无限长圆柱空间内，方向垂直纸面向里取一固定的等腰梯形回路abcd，梯形所在平面的法向与圆柱空间的轴平行，位置如图所示设磁感强度以dB /dt =1 T/s的匀速率增加，已知，求等腰梯形回路中感生电动势的大小和方向答案：，指向：沿adcb绕向解：大小： 指向：沿adcb绕向。16-12一圆形线圈A由50匝细导线绕成，其面积为4cm2，放在另一个匝数等于100匝、半径为20cm的圆形线圈B的中心，两线圈同轴。设线圈B中的电流在线圈A所在处激发的磁场可看作匀强磁场。求：（1）两线圈的互感；（2）当线圈B中的电流以50A/s的变化率减小时，线圈A中的感生电动势的大小。解：设B中通有电流，则在A处产生的磁感应强度为：（1）A中的磁通链为：。则：，。（2）,。16-13如图，半径分别为和的两圆形线圈（），在时共面放置，大圆形线圈通有稳恒电流I，小圆形线圈以角速度绕竖直轴转动，若小圆形线圈的电阻为，求：（1）当小线圈转过时，小线圈所受的磁力矩的大小；（2）从初始时刻转到该位置的过程中，磁力矩所做功的大小。解：利用毕萨定律，知大线圈在圆心处产生的磁感应强度为：，由于，可将小圆形线圈所在处看成是匀强磁场，磁感应强度即为，所以，任一时间穿过小线圈的磁通量：，小线圈的感应电流：，小线圈的磁矩：，（1）由，有：当时：；（2）。16-14一同轴电缆由中心导体圆柱和外层导体圆筒组成，两者半径分别为和，导体圆柱的磁导率为，筒与圆柱之间充以磁导率为的磁介质。电流可由中心圆柱流出，由圆筒流回。求每单位长度电缆的自感系数。解：考虑到和，可利用磁能的形式求自感。由环路定理，易知磁场分布：则：单位长度的磁能为：，利用，有单位长度自感：。16-15一电感为，电阻为的线圈突然接到电动势，内阻不计的电源上，在接通时，求：（1）磁场总储存能量的增加率；（2）线圈中产生焦耳热的速率；（3）电池组放出能量的速率。解：（1）利用磁能公式及电路通电暂态过程，有磁场总储能：，对上式求导得储能增加率：，将，代入，有：；（2）由，有线圈中产生焦耳热的速率：；代入数据有：；（3）那么，电池组放出能量的速率：，代入数据有：。16-16. 在一对巨大的圆形极板（电容）上，加上频率为，峰值为的交变电压，计算极板间位移电流的最大值。解：设交变电压为：，利用位移电流表达式：，有：，而，。16-17一球形电容器, 内导体半径为R1，外导体半径为R2两球间真空. 在电容器上加电压，内球对外球的电压为假设不太大，以致电容器电场分布与静态场情形近似相同，求两球间各处的位移电流密度，再计算通过半径为r (R1 r R2) 的球面的总位移电流答案：，解：由静电学计算： 代表r方向单位矢量 位移电流密度为 过球面的总位移电流 思考题1616-1图为用冲击电流计测量磁极间磁场的装置。小线圈与冲击电流计相接，线圈面积为，匝数为，电阻为，其法向与该处磁场方向相同，将小线圈迅速取出磁场时，冲击电流计测得感应电量为，试求小线圈所在位置的磁感应强度。解：，。16-2如图所示，圆形截面区域内存在着与截面相垂直的磁场，磁感应强度随时间变化。（a）磁场区域外有一与圆形截面共面的矩形导体回路abcd，以表示在导体ab段上产生的感生电动势，I表示回路中的感应电流，则A； B；C； D。（b）位于圆形区域直径上的导体棒ab通过导线与阻值为R的电阻连接形成回路，以表示在导体ab段上产生的感生电动势，I表示回路中的感应电流，则：A； B；C； D。答：（a）选C；（b）选B。16-3在磁感应强度为的均匀磁场内，有一面积为的矩形线框，线框回路的电阻为（忽略自感），线框绕其对称轴以匀角速度旋转（如图所示）。（1）求在如图位置时线框所受的磁力矩为多大？（2）为维持线框匀角速度转动，外力矩对线框每转一周需作的功为多少？答：（1）由，而：，；（2），。16-4一平板电容器充电以后断开电源，然后缓慢拉开电容器两极板的间距，则拉开过程中两极板间的位移电流为多大?若电容器两端始终维持恒定电压，则在缓慢拉开电容器两极板间距的过程中两极板间有无位移电流?若有位移电流，则它的方向怎样?答：（1）利用位移电流表达式：，由于平板电容器充电以后断开的电源，所以在电容器两极板拉开过程中不变化，有；（2）有位移电流，电容器两端维持恒定电压，两极板间距增加时场强变小，下降且引起下降，使位移电流降低。位移电流的方向与场线方向相反。16-5图为一量值随时间减小，方向垂直纸面向内的变化电场，均匀分布在圆柱形区域内，试在图中画出：（1）位移电流的大致分布和方向；（2）磁场的大致分布和方向。答：（1），（），位移电流在圆柱形区域内均匀分布，分布具有轴对称性；（2）应用安培环路定理：时，与成正比，时，为定值不变。16-6空间有限的区域内存在随时间变化的磁场，所产生的感生电场场强为Ei，在不包含磁场的空间区域中分别取闭合曲面S，闭合曲线l，则：A； B；C； D。答：选B。16-7试写出与下列内容相应的麦克斯韦方程的积分形式：（1）电力线起始于正电荷终止于负电荷；（2）磁力线无头无尾；（3）变化的电场伴有磁场；（4）变化的磁场伴有电场。解：（1）；（2）；（3）（4）