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1、1,第五章,电磁场与电磁波,电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要成就，它进一步揭示了自然界电现象与磁现象之间的联系。,在理论上，它为揭示电与磁之间的相互联系和转化奠定实验基础，促进了电磁场理论的形成和发展； 在实践上，它为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。,2,法拉第(Michael Faraday 17911867),伟大的英国物理学家和化学家。 主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现。 他创造性地提出场的思想，是电磁理论的创始人之一。 1831年发现电磁感应现象，后又相继发现电解定律，物质的抗磁性和顺磁
2、性，以及光的偏振面在磁场中的旋转。,3,5-1 电磁感应定律,一、电磁感应现象,1、电磁感应现象的发现,1820年，Oersted发现了电流的磁效应 1831年5月24日，Faraday发现电磁感应现象 1834年，Lenz在分析实验的基础上，总结出了判断感应电流分向的法则 1845年，Neumann借助于安培的分析，从矢势的角度推出了电磁感应电律的数学形式。,4,2.法拉第电磁感应定律,不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。,即：,K为比例系数，在（SI）中K 取1。,5,若线圈密绕N 匝，则：,其中 叫磁通链。,式中的负号反映了感应
3、电动势的方向。,感应电流：,6,二 、楞次定律,楞次（Lenz,Heinrich Friedrich Emil）,楞次是俄国物理学家和地球物理学家，生于爱沙尼亚的多尔帕特。早年曾参加地球物理观测活动，发现并正确解释了大西洋、太平洋、印度洋海水含盐量不同的现象，1845年倡导组织了俄国地球物理学会。1836年至1865年任圣彼得堡大学教授，兼任海军和师范等院校物理学教授。,楞次主要从事电学的研究。楞次定律对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。1842年，楞次还和焦耳各自独立地确定了电流热效应的规律，这就是大家熟知的焦耳楞次定律。他还定量地比较了不同金属线的电阻率，确定了电阻率与温度的关系；并建立了
4、电磁铁吸力正比于磁化电流二次方的定律。,7,(判断感应电流方向),感应电流的效果反抗引起感应电流的原因,磁通量变化,感应电流,闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。,8,线圈内磁场变化,两类实验现象,感生电动势,动生电动势,产生原因、规律不相同,都遵从电磁感应定律,导线或线圈在磁场中运动,感应电动势,9,5-2 动生电动势与感生电动势,一. 电动势,电源,将单位正电荷从电源负极推向电源正极的过程中，非静电力所作的功。,.定义,.表征了电源非静电力作功本领的大小,.反映电源将其它形式的能量转化为电能本领的大小,10,.非静电性场强,对闭合电路,单
5、位正电荷所受的非静电力。,非静电性场强：,电场强度,静电场力,11,12,线圈内磁场变化,两类实验现象,感生电动势,动生电动势,产生原因、规律不相同,导线或线圈在磁场中运动,感应电动势,13,非静电力？,动生电动势,二.动生电动势,动生电动势是由于导体或导体回路在恒定磁场中运动而产生的电动势。,14,动生电动势的成因,导线内每个正电荷受到的洛仑兹力为:,它驱使正电荷沿导线由b 向a 移动。,由于洛仑兹力的作用使a 端出现过剩正电荷 ， b 端出现过剩负电荷。,15,正电荷受的静电力,平衡时,此时电荷积累停止，ab 两端形成稳定的电势差。,洛仑兹力是产生动生电动势的根本原因。,方向ab,16,三
6、.感生电动势和感生电场,1.感生电动势,电磁感应,由于磁场发生变化而激发的电动势。,17,2.麦克斯韦假设：,感生电动势,感生电场力提供非静电力,变化的磁场在其周围空间会激发一种涡旋状的电场，,+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +,由电动势的定义,18,特点,原因,非静电力来源,19,20,三、电子感应加速器,原理：在电磁铁的两磁极间放一个真空室，电磁铁是由交流电来激磁的。,当磁场发生变化时，两极间任意闭合回路的磁通发生变化，激起感生电场，电子在感生电场的作用下被加速，电子在Lorentz力作
7、用下将在环形室内沿圆周轨道运动。,21,四、涡电流,1、涡电流,大块导体处在变化磁场中，或者相对于磁场运动时，在导体内部也会产生感应电流。这些感应电流在大块导体内的电流流线呈闭合的涡旋状，被称为涡电流或涡流。,2、涡流的热效应,电阻小，电流大，能够产生大量的热量。,3、应用,高频感应炉,加热,真空无按触加热,22,4、涡流的阻尼作用,当铝片摆动时，穿过运动铝片的磁通量是变化的，铝片内将产生涡流。根据楞次定律感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。因此铝片的摆动会受到阻滞而停止，这就是电磁阻尼。 应用：电磁仪表中使用的阻尼电键 电气火车中的电磁制动器,5、涡流的防止,用相互绝缘叠合起来的、电阻
8、率较高的硅钢片代替整块铁芯，并使硅钢片平面与磁感应线平行； 选用电阻率较高的材料做铁心。,23,L自感系数，单位：亨利（H）,一.自感,由于回路自身电流、回路的形状、或回路周围的磁介质发生变化时，穿过该回路自身的磁通量随之改变，从而在回路中产生感应电动势的现象。,1.自感现象,5-3 自感 磁场能量,24,2. 自感电动势,若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变,L 的存在总是阻碍电流的变化，所以自感电动势是反抗电流的变化,而不是反抗电流本身。,若 则: ， 与I 方向相同；,若 则: ， 与I 方向相反。,25,亨利(Henry,Joseph 1797-1878）,美国物理学家，18
9、32年受聘为新泽西学院物理学教授，1846年任华盛顿史密森研究院首任院长，1867年被选为美国国家科学院院长。他在1830年观察到自感现象，直到1932年7月才将题为长螺线管中的电自感的论文，发表在美国科学杂志上。亨利与法拉第是各自独立地发现电磁感应的，但发表稍晚些。强力实用的电磁铁继电器是亨利发明的，他还指导莫尔斯发明了第一架实用电报机。,亨利的贡献很大，只是有的没有立即发表，因而失去了许多发明的专利权和发现的优先权。但人们没有忘记这些杰出的贡献，为了纪念亨利，用他的名字命名了自感系数和互感系数的单位，简称“亨”。,26,二.磁场能量,过程1.开关K选择a,灯由暗逐渐变亮,过程2.开关K选择
10、b,灯由亮逐渐变暗,过程1：电源做功一部分转化为磁能存储，一部分转化为焦耳热,过程2：存储磁能转化为焦耳热,27,磁场能量密度：单位体积中储存的磁场能量 wm,磁场能量,在静电场中：,能量密度,电场能量,在稳恒磁场中：,28,麦克斯韦（James Clerk Maxwell 18311879),19世纪伟大的英 国物理学家、数 学家。经典电磁 理论的奠基人， 气体动理论的创 始人之一。,他提出了有旋电场和位移电流概念，建立了经典电磁理论，并预言了以光速传播的电磁波的存在。他的电磁学通论与牛顿时代的自然哲学的数学原理并驾齐驱，它是人类探索电磁规律的一个里程碑。 在气体动理论方面，他还提出气体分子
11、按速率分布的统计规律。,5-4 麦克斯韦方程组 电磁波,29,一.电磁场的基本规律,静电场,稳恒磁场,30,变化的磁场产生感生电场,电场,31,对变化的电场是否产生磁场？,麦克斯韦位移电流假设：,变化的电场可以等效为一种电流位移电流Id ，因此变化的电场象传导电流一样能产生磁场。,磁场,32,静电场,稳恒磁场,电 场,磁 场,麦克斯韦方程组,对称美,33,二.电磁波,变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场。这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式由近及远,以有限的速度在空间传播开去，就形成了电磁波。,34,一 振荡电路 无阻尼自由电磁振荡,LC 电磁振荡电路,35,一 电磁波的产生与传播,变化的
12、电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波.,36,平面电磁波示意图,2. 都在各自的平面内振动。,平面电磁波的性质,1.电磁波是横波, 相互垂直。,3. 是同相位的， 的方向在任意时刻都指向波的传播方向，即波速v的方向。,4.电磁波的传播速度为 ，即v只与媒质的介电常数和磁导率有关。,37,真空中,实验测得真空中光速,光波是一种电磁波。,38,39,红外辐射,40,41,单色辐出度,单位时间内，温度为T 的物体单位面积上发射的波长在附近单位波长间隔内的能量，表示为：,辐射出射度(radiant excitance),单位时间内，物体单位面积上发出所有波长的电磁波的能量，表示为：,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,实际物体的热辐射,52,实际物体的热辐射,53,实际物体的热辐射,