电磁感应定律

电磁感应现象

楞次定律: 感应电动势产生的感应电流方向,总是使感应电流的磁场通过回路的磁通量阻碍原磁通量的变化。

法拉第电磁感应定律

当穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时,回路中产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量对时间的变化率成正比。

ε=−dΦmdt

这就是 法拉第电磁感应定律。

运用能量守恒定律,推导特例?

洛伦兹力:FB=IBl.

损失的热能功率:P=I2R.

外力做功的功率:P=−FBv.

在 dt 时间内,dΦ=Blvdt. IR=−Blv. 则:

IR=ε=−dΦmdt

如果是 N 匝线圈,则:

ε=−NdΦmdt

感应电流:

I=−1RdΦmdt

感应电量:

q=∫t1t2Idt=−1R(Φ2−Φ1)

这就推出了楞次定律:“来拒去留”

总会使得感应电流的磁场通过回路磁通量阻碍原来磁通量变化。

ε=−dΦdt=−d(B⋅S)dt=−dBdt⋅S⏟感生−dSdt⋅B⏟动生

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利用:

Φm=∬BdS=μ0lI2πln⁡(a+ba)
E=−dΦmdt=⋯v=dadt

旋转的线圈:

Ψ=NΦ=NBScos⁡ωtε=−dΨdt=NBSωsin⁡ωt=Imsin⁡ωt

(开始的时候磁通量取最大值)

动生电动势

对于 载流子:

载流子定向移动,产生静电场,产生动生电动势。当

F=qv×BEk=Fq=v×B⇒直导线ε=v×B⋅(b−a)⇒任意导线ε=∫abEk⋅dl=∫(v×B)dl=∫(dl×v)⋅B=dSdtB

对于 刚体,

ε=v0×B⋅l+∫(w×rop)×B⋅dl

分为平动和转动两部分。


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  1. dS 为一个圆心角为 ωdt 的扇形。

ε=−dSdtB=ωdtL2/2dtB=−12BωL2
  1. εOA=∫OA(v×B)⋅dl=∫0L−vBdl=−12BωL2

O 端为正,A 端为负。判断可以假想 O 到 A 存在电流,中和了前方的磁场。

如果换成半径为 L 的导体圆盘,可以把导体盘看作无穷多根并联的导体棒组合而成。因此,ε=12BωL2.


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在 dt 时间内,

dΦ=∫dd+lμ0I2πx⋅vdtdx=μ0I2π(ln⁡(d+l)−ln⁡d)vdt
ε=−dΦdt=−μ0I2π(ln⁡(d+l)−ln⁡d)v

洛伦兹力是否做功

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电子运动速度是导体棒速度 v 和向下漂移速度 u 的叠加,导致电子受 Fm 的洛伦兹力,其中的一个分力 F,提供了电源电动势的非静电力,另外一个分量 F′,表现为阻力,想要导体棒匀速运动,必须有外力抵消 F′.

外力克服安培力做功通过洛伦兹力转化为导体回路中感应电流的能量。


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注意题目假设:施加恒力 F;a 端固定;收缩过程中保持圆形不变;忽略导线质量(始终受力平衡)

假设产生感应电流 Ii,分析 左半圆弧,计算电流元受力在 x 轴方向的投影,则左半圆弧受力:

FA=∫−π/2π/2IiBrcos⁡θdθ=2IiBr

因为受力平衡条件和对称性,F=F′=FA/2.

而产生的感应电流满足:

Ii=εR=−dΦRdt=−2πrBdrRdt

将 Ii 的表达式代入 F,可得:

F=−2πr2B2drRdt

所以:

dt=−2πB2r2RFdr

积分可得:

t总=−∫r002πB2r2RFdr=2πB23RFr03

**感生电动势

感应电动势并不是因为线圈在磁场中运动而产生的,因此电动势对应的非静电力不是洛伦兹力。

感生电场与感生电动势

感生电动势是由变化大小的磁场产生的,产生涡旋电场

ε=−dΦmdt=−ddt∬SB⋅dS=−∬S∂B∂t⋅dS

因此,感生电动势对应的非静电力场强 Ek 和磁场的时间变化率 ∂B∂t 相关。

ε=−∬S∂B∂t⋅dS=∮lEk⋅dl

因此,即使不存在导体回路,变化的磁场在其周围也会激发一种电场,称为感应电场,记为 Ei. 感应电场是非保守场。利用 Stokes 公式,可以改写上式为:

∇×Ei=−∂B∂t

因此,如果对于闭合回路计算动生电动势和感生电动势的和,可得:

ε=∮l(v×B)⋅dl−∬S∂B∂t⋅dS

计算具有轴对称变化磁场产生的感应电场。

利用:

∮lEi⋅dl=Ei⋅2πr=−∬S∂B∂t⋅dS=−∂B∂t⋅S包含

例:求导体棒 AB 中的感生电动势。

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注意到棒的各处感应电场 Ei 各不相同,因此不能简单将棒的长度乘以感应电场场强。

第一种方法,逐段求和(注意棒长方向和 Ei 的夹角),可得

EAB=∫ABEi⋅dl=∫0LEi⋅dlcos⁡θ=⋯=L2∂B∂tR2−L2/4

第二种方法,使用补全回路的方法,注意到 AO,BO 上,dl 和 Ei 垂直,不会产生感应电动势,因此,可以用回路 OABO 的感应电动势替代 AB 的感应电动势,因此:

EAB=SOABO∂B∂t=L2R2−L2/4∂B∂t

本题的变种

(解题时注意新增线段补成回路,新增线段上 dl 和感应电场 Ei 方向垂直,感应电场方向垂直于当前点和磁场对称中心的连线)

  1. 假设 AB 向下移动一小段距离……

  2. 假设 AB 不规则,例如呈现圆弧状,不过还是连接 AB 两点,则感应电动势需要计算新围成的面积。

  3. 计算 UMN,如何选取回路?

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涡旋电场和涡电流

Q: 金属片插入磁场,是否受力?

A: 金属片中载流子做环形运动,产生涡旋电流,电流在磁场中受到安培力的作用,阻碍金属片的运动。这种现象称为 电磁阻尼。

其中电流的方向怎么判断?楞次定理,阻碍磁通量变大/变小。

如果切割成梳子一样的形状,可以大大减小电磁阻尼效应。如变压器使用一片一片的金属,减小涡电流。


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分析是什么让圆盘开始转动,是螺线管中的磁场吗?不是的,因为圆盘一开始是静止的,不存在电流。那么就是因为开关 K 接通,导致螺线管中产生变化的电流,进而产生变化的磁场,变化的磁场产生涡旋电场,使得圆盘转动。知道这一点之后,我们逐步分析:

I=εRB=μ0nI
2πrEi=πr2dBdt⟹Ei=r2dBdt

圆盘中 r→r+dr 的部分受到力矩为(假设圆盘半径为 L):

dM=rdF=rEidq=rEiQ⋅2πrdrπL2

总力矩为:

M=∫0LdM=dBdt14QL2

而转动惯量为:

J=12mL2

积分可得:

∫0ωJdω=∫0BMdt⟹ω=BQ2m

代入 B=μ0nεR,可得:

ω=μ0Qε2mR

自感和互感

自感

当通过线圈回路中电流发生变化时,引起穿过自身回路的磁通量发生变化,从而在回路自身产生感应电动势的现象称为 自感现象。自感现象中所产生的电动势称为自感电动势。

根据毕奥萨伐尔定律,电流在空间中激发的磁场磁感应强度总是正比于通过线圈的电流 I,因此通过线圈的磁通匝链数:

Ψ=L⏟自感系数I

求自感的通常步骤:假设线圈通电流 I,电流 I 产生了磁场 B,再计算 Ψ=NBS=LI 即可得 L.

产生了自感电动势:

EL=−dΨdt=−d(LI)dt=−LdIdt−IdLdt

若 L 恒定,则:

EL=−LdIdt

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磁通量是浅色阴影对应的部分,可以由若干黑色条叠加:

Φm=∬SB⋅dS=∫R1R2μI2πrldr=μIl2πln⁡R2R1
L=ΦmI=μl2πln⁡R2R1

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假设内部磁导率为 μr. 取任意一个横截面,计算磁通量 Φm.

Φm=μ0μrNIl⋅S
L=ΨI=NΦmI=μ0μrN2lS=μ0μrN2l2lS

设 n=N/l 表示单位长度螺线管的匝数,V=lS 表示螺线管内空间点体积,则自感系数可以表示为:

L=μ0n2V

螺绕环的自感系数

Ψ=N∫R1R2B(r)hdr=N∫R1R2NI2πrμhdr=μhN2I2πln⁡R2R1
L=μhN22πln⁡R2R1

互感

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第一个线圈里面有电流 I,产生磁场,对第二个线圈磁通匝链数的贡献为 Ψ21,产生了感生电动势,线圈 2 中的电流 I2 产生的磁场,对通过线圈 1 的磁通匝链数的贡献为 Ψ12。

根据毕奥萨伐尔定律,有:

Ψ21=M21I1Ψ12=M12I2

可以证明 M21=M12=M. 若保持恒定则:

E21=−MdI1dtE12=−MdI2dt

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假设 l2<l1.

假设第一个螺线管通 I 电流,则产生的磁场:

B1=μ0N1Il1

造成第二个线圈磁通匝链数的变化:

Ψ21=B1N2S=μ0N1N2ISl1

因此互感系数为:

M=μ0N1N2l1S

也可以假设第二个螺线管通 I′ 电流,则产生的磁场:

B2=μ0N2I′l2

造成

Ψ12=B2N1S⋅l2l1=μ0N1N2l1SI′

两线圈的自感分别为:

L1=μ0N12l1SL2=μ0N22l2S

互感最大的情况:

M=kL1L2

k 称为耦合系数,0<k≤1,只有两个线圈长度相同时,耦合系数才为 1. 此时两个线圈中有完全的磁耦合,互感 M=L1L2.


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假设 I1=I2=I,则通过第一个线圈的磁通匝链数:

Ψ1=L1I1⏟第一个线圈自感+MI2⏟第二个线圈对第一个线圈=(L1+M)IΨ2=(L2+M)I

因此,Ψ=Ψ1+Ψ2,等效自感就是:

L=Ψ/I=L1+L2+2M

如果两个线圈反向连接,则 L=L1+L2−2M.


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线圈两端电动势需要计算自感部分和互感部分:

E1=−L1di1dt−Mdi2dtE2=−L2di2dt−Mdi1dt

结合基尔霍夫定律:i1=i2,E1=E2. 可得:

E1=E2=−L1L2−M2L1L2−2Md(i1+i2)dt

若两线圈方向相反,2M 前符号为正。


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结论:L1,L2 越是细长,两螺线管之间影响越小,耦合系数越小。反之耦合系数越大。

磁场能量

自感线圈总磁能,当载流 I0:

Wm=12LI02

自感磁能

对于螺线管,设电流线密度 n,体积 V,

B=μ0nI0

则总磁能:

Wm=12LI02=12μ0n2V(Bμ0n)2=12B2μ0V=wmV

磁场能量密度:

wm=12H⋅B

类比电场能量密度。

互感磁能

Wm=12L1I12+12L2I22+MI1I2

利用磁场能量密度:

Wm=12∭B⋅HdV=⋯

可以用 B1,B2 之间的夹角描述耦合程度。

还可以通过磁场能量求自感

Wm=∭wmdV=12LI2

考试题目

2021

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  1. 假设大线圈中通电流 I,由毕奥萨伐尔定律,有:

    Bx=μ04πI⋅2πR⋅R/R2+x2(R2+x2)2=μ0IR22(R2+x2)3/2

    这样的磁场在小线圈中产生磁通量为:

    Φ=BxSx=μ0IR22(R2+x2)3/2⋅πr2

    因此互感:

    M=ΦI=μ0R2πr22(R2+x2)3/2
  2. 大线圈中的磁通量为:

    Φ′=MI0=μ0R2πr2I02(R2+x2)3/2

    因为感应电动势:

    ε=−dΦ′dt=−dΦ′dx⋅dxdt=3xμ0R2πr2I02(R2+x2)5/2⋅u

    感应电流为:

    i=εh