目录

  • 1 第8章 电荷与静电场
    • 1.1 教学目标与教学要求
    • 1.2 8.0 绪论 简述电磁学的发展
    • 1.3 8.1 电荷  库仑定律
    • 1.4 8.2 电场 电场强度 场强的计算
    • 1.5 8.3 电通量  高斯定理及其应用
    • 1.6 8.4 静电场的环路定理 电势  电势能
    • 1.7 8.5 静电场中的导体
    • 1.8 8.6 静电场中的电介质
    • 1.9 8.7 电容器及其电容
    • 1.10 8.8 静电场的能量
    • 1.11 第8章  总结
    • 1.12 拓展学习资料
  • 2 第9章 电流与稳恒磁场
    • 2.1 教学目标与教学要求
    • 2.2 稳恒电流 磁感应强度 磁场的高斯定理
    • 2.3 毕奥-萨伐尔定律
    • 2.4 安培环路定理
    • 2.5 磁场对载流导线的作用  带电粒子在电磁场中的运动
    • 2.6 物质的磁性
    • 2.7 第9章  总结
  • 3 第10章 电磁感应与电磁场
    • 3.1 教学目标与教学要求
    • 3.2 电磁感应定律  动生电动势
    • 3.3 感生电动势  感生电场 涡电流
    • 3.4 自感、互感
    • 3.5 磁场的能量  麦克斯韦方程组 电磁波
    • 3.6 第10章 总结
  • 4 第11章 气体动理论(自学)
    • 4.1 教学目标与教学要求
    • 4.2 热学发展简介 状态 过程 理想气体
    • 4.3 理想气体压强公式     理想气体温度公式
    • 4.4 麦克斯韦速率分布
    • 4.5 能量均分定理  理想气体的内能
    • 4.6 分子的平均碰撞频率和平均自由程
    • 4.7 总结
  • 5 第12章 热力学基础 (自学)
    • 5.1 教学目标与教学要求
    • 5.2 热力学第一定律及其在理想气体等值过程中的应用  绝热过程
    • 5.3 循环过程 卡诺循环
    • 5.4 热力学第二定律
    • 5.5 熵增加原理
    • 5.6 总结
  • 6 第13章 波动光学(自学)
    • 6.1 教学目标与教学要求
    • 6.2 光的发展简介  光源 单色光 相干光
    • 6.3 杨氏双缝干涉
    • 6.4 光程 光程差 半波损失 薄膜干涉
    • 6.5 等厚干涉
    • 6.6 迈克尔逊干涉仪  惠更斯-菲涅尔原理
    • 6.7 夫琅禾费衍射
    • 6.8 衍射规律的应用
    • 6.9 光的偏振态  偏振光的获得与检验
    • 6.10 总结
电磁感应定律  动生电动势

      1831年,一位叫迈克尔·法拉第的科学家发现了磁与电之间的相互联系和转化关系。只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应(Electromagnetic induction),产生的电流叫做感应电流。

电磁感应现象的产生条件有两点(缺一不可)。

(1)闭合电路。

(2)穿过闭合电路的磁通量发生变化。

让磁通量发生变化的方法有两种,如图1所示。一种方法是让闭合电路中的导体在磁场中做切割磁感线的运动;另一种方法是让磁场在导体内运动。

电磁感应部分涉及三个方面的知识:

一是电磁感应现象的规律。电磁感应研究的是其他形式能转化为电能的特点和规律,其核心是法拉第电磁感应定律和楞次定律。

楞次定律表述为:感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。即要想获得感应电流(电能)必须克服感应电流产生的安培力做功,需外界做功,将其他形式的能转化为电能。法拉第电磁感应定律是反映外界做功能力的,磁通量的变化率越大,感应电动势越大,外界做功的能力也越大

二是电路及力学知识。主要讨论电能在电路中传输、分配,并通过用电器转化成其他形式能的特点规律。在实际应用中常常用到电路的三个规律(欧姆定律电阻定律焦耳定律)和力学中的牛顿定律动量定理动量守恒定律动能定理能量守恒定律等概念。

三是右手定则。右手平展,使大拇指与其余四指垂直,并且都跟手掌在一个平面内。把右手放入磁场中,若磁力线垂直进入手心(当磁感线为直线时,相当于手心面向N极),大拇指指向导线运动方向,则四指所指方向为导线中感应电流的方向。

法拉第电磁感应定律的发现

       1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后,许多物理学家便试图寻找它的逆效应,提出了磁能否产生电,磁能否对电作用的问题,1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在测量地磁强度时,偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年,阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验,发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转,但磁针的旋转与铜盘不同步,稍滞后。电磁阻尼电磁驱动是最早发现的电磁感应现象,但由于没有直接表现为感应电流,当时未能予以说明。

1831年8月,M.法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈 ,其一为闭合回路,在导线下端附近平行放置一磁针,另一与电池组相连,接开关,形成有电源的闭合回路。实验发现,合上开关,磁针偏转;切断开关,磁针反向偏转,这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到,这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验,把产生感应电流的情形概括为 5 类 :变化的电流 , 变化的磁场,运动的恒定电流,运动的磁铁,在磁场中运动的导体,并把这些现象正式定名为电磁感应。进而,法拉第发现,在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比,他由此认识到,感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的,即使没有回路没有感应电流,感应电动势依然存在。

1862年,英国物理学家麦克斯韦发表了论文“论物理力线”,引出位移电流的概念,指出变化的电场也能产生磁场。

1864年,麦克斯韦在论文“电磁场的动力学理论”中,运用场论观点演绎了系统的电磁理论并预见了电磁波的存在。

1873年,麦克斯韦在《电磁学通论》一书中全面地总结了19世纪中叶之前库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等人的系列发现和实验结果,通过科学的假设和合理的逻辑思维,第一次完整地建立了电场理论体系,将电场理论用简洁、对称、美观的数学形式表示出来,后来经赫兹等人整理成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。

1888年,德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。 

后来,给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同,把感应电动势分为动生电动势感生电动势两种,前者起源于洛伦兹力,后者起源于变化磁场产生的有旋电场

法拉第定律最初是一条基于观察的实验定律。后来被正式化,其偏导数的限制版本,跟其他的电磁学定律一块被列麦克斯韦方程组的现代亥维赛版本。

法拉第电磁感应定律是基于法拉第于1831年所作的实验。这个效应被约瑟夫·亨利大约同时发现,但法拉第的发表时间较早。

见·麦克斯韦讨论电动势的原著。

于1834年由俄国科学家海因里希·楞次发现的楞次定律,提供了感应电动势的方向,及生成感应电动势的电流方向。

条件

1.电路是闭合且流通的。

2.穿过闭合电路的磁通量发生变化。

3.电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动(切割磁感线运动就是为了保证闭合电路的磁通量发生改变)(只能部分切割,全部切割无效)(如果缺少一个条件,就不会有感应电流产生).。

4.感应电流产生的微观解释:电路的一部分在做切割磁感线运动时,相当于电路的一部分内的自由电子在磁场中作不沿磁感线方向的运动,故自由电子会受洛伦兹力的作用在导体内定向移动,若电路的一部分处在闭合回路中就会形成感应电流,若不是闭合回路,两端就会积聚电荷产生感应电动势。

5.电磁感应现象中之所以强调闭合电路的“一部分导体”,是因为当整个闭合电路切割磁感线时,左右两边产生的感应电流方向分别为逆时针和顺时针,对于整个电路来讲电流抵消了。

6.电磁感应中的能量关系:电磁感应是一个能量转换过程,例如可以将重力势能,动能等转化为电能,热能等。

重要意义

       电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一,它揭示了电和磁现象之间的相互联系。法拉第电磁感应定律的重要意义在于,一方面,依据电磁感应的原理,人们制造出了发电机电能的大规模生产和远距离输送成为可能;另一方面,电磁感应现象在电工技术电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。人类社会从此迈进了电气化时代。

动生电动势

    感应电动势,根据磁通量发生变化的原因不同,可分为:动生电动势和感生电动势。

    动生电动势:由于导线的运动;感生电动势:是磁场的变化引起的。

    本节我们将讨论动生电动势产生的物理机制,并由电动势的公式导出动生电动势的表达式,并能解决实际问题。