DOC《第八章 电磁感应》

第八章 电磁感应 本章前言 本章学习目标

1、深刻理解法拉第电磁感应定律和楞次定律.

2、理解感应电动势的概念,熟练掌握动生电动势和感生电动势的计算.

3、理解自感和互感,掌握简单的互感系数和自感系数的计算.

4、掌握自感储能、磁场能量密度和磁场能量的计算. 本章教学内容

1、电磁感应的基本规律 1.1? 电磁感应现象、产生感应电流的条件 1.2? 楞次定律 1.3? 法拉第电磁感应定律、感应电动势

2、动生电动势与感生电动势 2.1? 动生电动势 2.2? 感生电动势、感生电场、涡电流、电子感应加速器

3、互感与自感 3.1? 互感现象、互感电动势、互感系数 3.2? 自感现象、自感电动势、自感系数

4、磁场的能量 4.1? 载流线圈的磁能 4.2? 磁场的能量、磁能密度 本章重点 法拉第电磁感应定律、感应电动势的计算. 本章难点 法拉第电磁感应定律及其应用. 动生电动势与感生电动势的理论解释与计算. 互感电动势与互感系数的计算. §8.1 电磁感应的基本规律 8.1.1 电磁感应现象 实验证明,当一个闭合回路所围面积上的磁通量发生变化时,回路中就有感应电流产生,这种现象叫电磁感应现象.电磁感应的实验定律主要有两个.一个是楞次定律,另一个是法拉第电磁感应定律.楞次定律是一个定性的定律,它判定感应电流的方向;

法拉第定律是一个定量的定律,它给出感应电动势的大小. 8.1.2 楞茨定律 1833年,楞次在总结大量实验结果的基础上,提出了一个判定电磁感应中感应电流方向的法则,称为楞次定律.楞次定律说:闭合回路中的感应电流的方向,是要使感应电流在回路所围面积上产生的磁通量,去抵消或反抗引起感应电流的磁通量的变化.楞次定律表明,电磁感应的结果反抗电磁感应的原因.这里的结果是指感应电流所产生的磁通量,原因是指引起电磁感应的磁通量的变化. 考虑如下图所示的那样一个实验,一块条形磁铁穿过一个闭合线圈的过程.图(a)是磁铁向左运动靠近线圈的情况.这时线圈中的磁场B向左且在增强,故磁通量在增加,按楞次定律,感应电流的磁通量应反抗的增加,即感应电流在线圈中的磁场应与B方向相反即向右,再由右手螺旋法则就可以确定感应电流 的方向应如图所示.图(b)是磁铁已穿过线圈继续向左运动的情况.这时磁场B仍向左但在减小,故磁通量在减小.按楞次定律,感应电流的磁通量应反抗的减小,即感应电流的磁场应与B方向相同即向左,故感应电流的方向应与(a)中相反. 感应电流的方向 借助上述实验可以说明楞次定律的物理意义.在实验中闭合线圈里有感生电流产生,于是线圈中应有能量释放出来,如发出焦耳热.应该考虑一下,这些能量究竟是从哪儿来的?看图(a),电磁感应在闭合线圈上产生的电流会形成一个磁矩,按右手螺旋法则,磁矩向右,即右边是N极.线圈的N极会排斥磁铁的N极,阻止它的相对运动.因而,要进行电磁感应,磁铁就必须要克服斥力而做功,通过做功,磁铁运动的机械能转化为了电能.图(b)中的情况读者可以自己分析,这时线圈的左面是N极,它会通过吸引来反抗相对运动,在这个过程中磁铁也要克服引力做功,把机械能转换为电能.可见电磁感应中释放的能量并不是凭空而来的,而是其它能量如机械能转换而来的.如果楞次定律不是感应电流的磁通量去反抗引起感应电流的磁通量的变化而是支持这种变化,那么上述实验中的一切都会倒过来,那物理学就真会天下大乱了.试想在图(a)中,我们只须给磁铁一点很少的启动能量使之向左运动,如果楞次定律反过来,那么磁铁受到的就将是引力而不是斥力,它就会加速通过线圈,然后继续加速向左运动.在左侧安装一个弹性壁使之反弹向左并继续加速,然后反弹加速…….这样我们就能在磁铁上获得源源不绝的机械能,在线圈上获得无穷无尽的电能,而我们却没有输入任何能量.可见,楞次定律中的反抗的含义就是要强迫外界为电磁感应的进行输入能量,借以提供感应中的能量输出,这显然是在维护能量守恒定律这个自然界的普遍法则在电磁感应中的地位.所以我们说,楞次定律是能量守恒定律在电磁感应中的具体表现.这不仅是在上述实验中是如此,实际上,电磁感应的所有实验都验证了能量守恒定律. 8.1.3 法拉第电磁应定律