电 磁 感 应 习 题 课(2009.1.15)说明：数学表达式中字母为黑体者表示矢量Ⅰ 教学基本要求 电磁感应1.理解电动势的概念。

2.掌握法拉第电磁感应定律。

理解动生电动势及感生电动势。

3.了解电容、自感系数和互感系数。

4.了解电能密度、磁能密度的概念。

5.了解涡旋电场、位移电流的概念以及麦克斯韦方程组（积分形式）的物理意义。

了解电磁场的物质性。

Ⅱ 内容提要一、法拉第电磁感应定律εi =－d Φ /d t(εi =－d Ψ/d t , Ψ=N Φ) ;I i =εi /R =－(1/R )d Φ/d t ,q i =⎰21d i t t t I =(1/R )(Φ1－Φ2);楞次定律(略).二、动生电动势 εi = ⎰l v×B·d l 。

三、感生电动势εi =－d Φ /d t =()⎰⋅∂∂-SS B d t ；感生电场(涡旋电场)E r (题库为E i )的性质：高斯定理 0d r =⋅⎰S S E ，安培环路定理⎰=⋅ll Ed r()⎰⋅∂∂-SS B d t感生电场为无源场、有旋场(非保守场)，其电场线为闭合曲线。

四. 电感自感 L=Φ/I (L=Ψ/I ), εL =－L d I /d t ; 互感 M=Φ21/I 1 =Φ12/I 2 ,ε21=－M d I 1 /d t , ε12=－M d I 2 /d t .五、磁场能量自感磁能 W m =LI 2 /2 , 磁能密度 w m =B •H / 2 ,某磁场空间的磁能 W m =⎰V w m d t =⎰V (1/2)B •H d t六、位移电流 I D =d ΦD /d t , j D =∂D/∂t ,电位移通量ΦD ΦD =⎰S D •d S七、麦克斯韦方程组的积分形式V S d d 0⎰⎰=⋅V S D ρ，()⎰⎰⋅∂∂-=⋅SlS B l E d d t ， ⎰=⋅S S B 0d ，()⎰⎰⋅∂∂+=⋅SlS D j l H d d t 。

八、电磁波的性质1.横波性与偏振性，E 、H 、u 相互垂直且成右手螺旋；2. E 、H 同步变化；3. ε1/2E =μ1/2H ；4. 电磁波速 u=1/(εμ)1/2, 真空中 u=c=1/(ε0μ0)1/2。

5. 电磁波的能量w =(1/2)( B •H +D •E )= ε E 2= μ H 2S= w v =E ×H九、一种特殊感应电场和一种特殊感应磁场：1.圆柱空间中沿轴向的均匀磁场随时间变化时产生的涡旋电场:r ≤R E r =－(r /2)d B/d t , r ≥R E r =－[R 2/ (2r )]d B/d t ;2.圆形平行板电容器内电场随时间变化时产生的磁场:r ≤R H =(r /2)d D/d t , r ≥R H =[R 2/ (2r )]d D/d t .Ⅲ 练习十四至练习十八答案及简短解答练习14 电磁感应定律 动生电动势一、选择题 D B D A C 二、填空题1. t I r r ωωπμcos 202210,22102Rr I r πμ . 2. > , < , = .3. B ωR 2/2; 沿曲线由中心向外. 三、计算题1. 取顺时针为三角形回路电动势正向,得三角形面法线垂直纸面向里.取窄条面积微元 d S =y d x =[(a+b -x )l/b ]d xΦm =⎰⋅S d S B=()⎰+-+⋅ba abldxx b a x I πμ20 =()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++b a b a b a bIl ln 20πμ εi = -d Φm /d t=()dt dIa b a b a b b l ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-ln 20πμ = -5.18×10－8V 负号表示逆时针2. (1) 导线ab 的动生电动势为εi = ⎰l v×B ·d l=vBl sin(π/2+θ)=vBl cos θI i =εi /R = vBl cos θ/R 方向由b 到a . 受安培力方向向右,大小为 F =| ⎰l (I i d l×B )|= vB 2l 2cos θ/RF 在导轨上投影沿导轨向上,大小为 F '= F cos θ =vB 2l 2cos 2θ/R重力在导轨上投影沿导轨向下,大小为mg sin θmg sin θ -vB 2l 2cos 2θ/R=ma=m d v /d t dt=d v /[g sin θ -vB 2l 2cos 2θ/(mR )]()[]{}⎰-=vmR l vB g dv t 0222cos sin θθ()()()mR t l B el B mgR v θθθ222cos 2221cos sin --= (2) 导线ab 的最大速度v m =θθ222cos sin l B mgR .练习15 感生电动势 自感一、选择题 A D C B B二、填空题1. er 1(d B /d t )/(2m ),向右; eR 2(d B /d t )/(2r 2m ),向下.2. μ0n 2l πa 2, μ0nI 0πa 2ωcos ωt .3.ε=πR 2k/4，从c 流至b .三、计算题1.(1) 用对感生电场的积分εi =⎰l E i ·d l 解:在棒MN 上取微元d x (-R<x<R ), 该处感生电场大小为 E i =[R 2/(2r )](d B/d t ) 与棒夹角θ满足tan θ=x/Rεi =⎰⋅NMl E i d =⎰NMi x E θcos d=()⎰-⋅RRr R r x t B R 22d d d=⎰-+⋅RR Rx xt B R 2232d d d =[R 3(d B/d t )/2](1/R )arctan(x/R )R R-=πR 2(d B/d t )/4因εi =>0,故N 点的电势高. (2) 用法拉第电磁感应定律εi =－d Φ/d t 解: 沿半径作辅助线OM ,ON 组成三角形回路MONMεi =⎰⋅NMl E i d =⎰⋅-MNl E i d=-⎢⎣⎡⋅⎰MNl E i d +⎰⋅OM l E i d +⎥⎦⎤⋅⎰NO l E i d=－(－d ΦmMONM /d t ) =d ΦmMONM /d t 而 ΦmMONM =⎰⋅Sd S B =πR 2B/4故 εi =πR 2(d B/d t )/4N 点的电势高.2. .等效于螺线管B 内=μ0 nI=μ0 [Q ω /(2π)]/L=μ0 Q ω /(2πL ) B 外=0Φ=⎰S B ⋅d S=B πa 2=μ0Q ω a 2 /(2 L )εi =－d Φ/d t=－[μ0Q a 2 /(2 L )]d ω /d t =μ0ω 0Q a 2 /(2 L t 0)I i =εi /R=μ0ω 0Q a 2 /(2 LR t 0) 方向与旋转方向一致.练习16 互感 磁场的能量一、选择题 D C B C A二、填空题1. 0.2. ΦAB =ΦBA .3. μ0I 2L /(16π.)三、计算题1. 取如图所示的坐标,设回路有电流为I ,则两导线间磁场方向向里,大小为0≤r ≤a B 1=μ0Ir/(2πa 2)+ μ0I/[2π(d -r )] a ≤r ≤d -a B 2=μ0I/(2πr )+μ0I/[2π(d -r )] d -a ≤r ≤d B 3=μ0I/(2πr )+ μ0I (d -r )/(2πa 2)取窄条微元d S=l d r ,由Φm =⎰⋅SS B d 得Φml =⎰aar Irl 0202d πμ+()⎰-a r d rIl 002d πμ +⎰-ad ar r Il πμ2d 0+()⎰--a d ar d r Il πμ2d 0 +⎰-ad ar r Il πμ2d 0+()⎰-a d aa rl r -d I 202d πμ =μ0Il/(4π)+[μ0Il/(2π)]ln[d/(d -a )]+[μ0Il/(2π)]ln[(d -a )/a ] +[μ0Il/(2π)]ln[(d -a )/a ] +[μ0Il/(2π)]ln[d/(d -a )] +μ0Il/(4π)=μ0Il/(2π)+(μ0Il/π)ln(d/a )由L l =Φl /I ,L 0= L l /l=Φl /(Il ).得单位长度导线自感 L 0==μ0l/(2π)+(μ0l/π)ln(d/a )2. 设环形螺旋管电流为I , 则管内磁场大小为B =μ0NI/(2πρ) r ≤ρ≤R方向垂直于截面; 管外磁场为零.取窄条微元d S=h d ρ,由Φm =⎰⋅SS B d 得Φm =⎰RrNIh πρρμ2d 0=μ0NIh ln(R/r )/(2π) M =Φm /I ==μ0Nh ln(R/r )/(2π)xi练习17 麦克斯韦方程组一、选择题 C A D B C二、填空题1. 1.2. ②, ③, ①.3. 1.33×102 W/m 2 , 2.51×10-6J/m 3.三、计算题1. 设极板电荷为Q , 因I=d Q/d t , Q=CU ,有 (1) I=d(CU )/d t=C d U/d td U/d t =I/C = I 0e -kt /C U = I 0(1-e -kt )/(kC )(2)I d =d Φd /d t =d(DS )/d t =d(εES )/d t =d[ε(U /d )S ]/dt=(εS /d )d U/d t =C d U/d t=I=I 0e -kt(3)在极板间以电容器轴线为心,以r 为半径作环面垂直于轴的环路,方向与I d 成右手螺旋.有⎰⋅ll H d =2πrH =∑I d当r <R 时 ∑I d =[I d /(πR 2)]πr 2 H =I d r /(2πR 2) B =μH =μI d r /(2πR 2)=μI 0e -kt r /(2πR 2) 当r >R 时 ∑I d =I d H =Ir /(2πr ) B =μI 0e -k t /(2πr ) 方向与回路方向相同.O 点,r =0: B =0A 点,r =R 1<R :B =μI 0e -kt R 1/(2πR 2) 方向向里C 点,r =R 2>R : B =μI 0e -k t /(2πR 2) 方向向外.2.(1)坡印廷矢量平均值 S =I =P /(2πr 2) r =10km S =P /(2πr 2)=1.59×10-5W/m 2 (2) 电场强度和磁场强度振幅.εE =μHS =|S |=|E ×H |=2E με=εμH 2E=εμS H=μεSE m =E 2=002εμS =1.09⨯10-1V/mH m =H 2=002μεS =2.91×10-4A/m练习18 电磁感应习题课一、选择题 A B B C D 二、填空题1 0, 2μ0I 2/(9π2a 2).2 700Wb/s.3 vBl sin α, A 点.三、计算题1. 任意时刻金属杆角速度为ω,取微元长度d rd εi =v ×B ⋅d l=ωrBdrεi =⎰d εi =r r B ad 0⎰ω=ω Ba 2/2I =εi /R =ω Ba 2/(2R )方向由O 向A .微元d r 受安培力为 |d F |=|I d l ×B |= IB d r d M =|d M |=|r ×d F |= IBr d r M=⎰d M =r r IB ad 0⎰=I Ba 2/2=ω B 2a 4/(4R )方向与ω相反.依转动定律,有-ω B 2a 4/(4R )=J α=(ma 2/3)d ω /d td t=-[4Rm/(3ω B 2a 2)]d ω=-[4Rm/(3 B 2a 2)]d ω/ωt =()[]()ωωωωd 34022⎰a B mR =-[4Rm/(3 B 2a 2)]ln(ω/ω0)tmRa B e43022-=ωω2. 因b >>a ,可认为小金属环上的磁场是均匀.Φm =⎰⋅S d S B =BS cos θ=[μ0I/(2b )]πa 2cos θ=μ0I πa 2cos θ/(2b ) (1) I 恒定,θ=ω1t : εi = -d Φm /d t=(-d Φm /d θ)(d θ/d t ) =μ0I πa 2ω1sin(ω1t )/(2b ) (2) I =I 0sin ω2t ,θ=0:εi =-d Φm /d t =(-d Φm /d I )(d I/d t ) =-μ0πa 2I 0ω2cos ω2t/(2b )(3) I =I 0sin ω2t ,θ= ω1t : εi = -d Φm /d t= -[(∂Φm /∂θ)(∂θ/∂t )+(∂Φm /∂I )(∂I/∂t )]=[μ0I 0πa 2/(2b )][ω1sin(ω1t )sin(ω2t )-ω2cos ω2t ]Ⅳ 课堂例题一、选择题1. 无限长载流空心圆柱导体的内外半径分别为a 、b ，电流在导体截面上均匀分布，则空间各处的B ϖ的大小与场点到圆柱中心轴线的距离r 的关系定性地如图所示．正确的图是2. 在一个磁性很强的条形磁铁附近放一条可以自由弯曲的软导线，如图所示．当电流从上向下流经软导线时，软导线将(A) 不动．(B) 被磁铁推至尽可能远． (C) 被磁铁吸引靠近它，但导线平行磁棒．(D) 缠绕在磁铁上，从上向下看，电流是顺时针方向流动的． (E) 缠绕在磁铁上，从上向下看，电流是逆时针方向流动的．3. 在两个永久磁极中间放置一圆形线圈，线圈的大小和磁极大小约相等，线圈平面和磁场方向垂直．今欲使线圈中产生逆时针方向(俯视)的瞬时感应电流i (如图)，可选择下列哪一个方法？(A) 把线圈在自身平面内绕圆心旋转一个小角度． (B) 把线圈绕通过其直径的OO ′轴转一个小角度． (C) 把线圈向上平移．(D) 把线圈向右平移.4. 有两个长直密绕螺线管，长度及线圈匝数均相同，半径分别为r 1和r 2．管内充满均匀介质，其磁导率分别为μ1和μ2．设r 1∶r 2=1∶2，μ1∶μ2=2∶1，当将两只螺线管串联在电路中通电稳定后，其自感系数之比L 1∶L 2与磁能之比W m 1∶W m 2分别为： (A) L 1∶L 2=1∶1，W m 1∶W m 2 =1∶1． (B) L 1∶L 2=1∶2，W m 1∶W m 2 =1∶1．(C) L 1∶L 2=1∶2，W m 1∶W m 2 =1∶2． (D) L 1∶L 2=2∶1，W m 1∶W m 2 =2∶1．5. 在圆柱形空间内有一磁感强度为B ϖ的均匀磁场，如图所示．B ϖ的大小以速率d B /d t 变化．在磁场中有A 、B 两点，其间可放直导线AB 和弯曲的导线AB ，则(A) 电动势只在直线型AB 导线中产生． (B) 电动势只在弧线型AB 导线中产生． (C) 电动势在直线型AB 和弧线型AB 中都产生，且两者大小相等． (D) 直线型AB 导线中的电动势小于弧线型AB 导线中的电动势．6. 有一流过电流I =10 A 的圆线圈，放在磁感强度等于 0.015 T 的匀强磁场中，处于平衡位置．线圈直径d =12 cm ．使线圈以它的直径为轴转过角2/π=α时，外力所必需作的功A 为 (A) 1.70×10-3 J ． (B) 1.80×10-3 J(C) 0 J (D) 1.60×10-3 J二、填空题1. 如图所示，一段长度为l 的直导线MN ，水平放置在载电流为I 的竖直长导线旁与竖直导线共面，并从静止由图示位置自由下落，则t 秒末导线两端的电势差=-N M U U ______．2. 一自感线圈中，电流强度在 0.002 s 内均匀地由10 A 增加到12A ，此过程中线圈内自感电动势为 400 V ，则线圈的自感系数为L =__________________________________．3. 坡印廷矢量S ϖ的物理意义是： ____________________________________________；其定义式为 _____________________ ．4.一平行板空气电容器的两极板都是半径为R 的圆形导体片，在充电时，板间电场强度的变化率为d E /d t ．若略去边缘效应，则两板间的位移电流为__________________．三、计算题1. 假设把氢原子看成是一个电子绕核作匀速圆周运动的带电系统．已知平面轨道的半径为r ，电子的电荷为e ，质量为m e ．将此系统置于磁感强度为0B ϖ的均匀外磁场中，设0B ϖ的方I向与轨道平面平行，求此系统所受的力矩M ϖ．2.一导线弯成如图形状，放在均匀磁场B ϖ中，B ϖ的方向垂直图面向里． ∠bcd =60°，bc=cd =a ．使导线绕轴OO ＇旋转，如图，转速为每分钟n 转．计算 OO ＇．3. 一长圆柱状磁场，磁场方向沿轴线并垂直图面向里，磁场大小既随到轴线的距离r 成正比而变化，又随时间t 作正弦变化，即B =B 0r sin ωt ，B 0、ω均为常数．若在磁场内放一半径为a 的金属圆环，环心在圆柱状磁场的轴线上，求金属环中的感生电动势，并讨论其方向．4半径为R 的无限长实心圆柱导体载有电流I ，电流沿轴向流动，并均匀分布在导体横截面上．一宽为R ，长为l 的矩形回路(与导体轴线同平面)以速度v ϖ向导体外运动(设导体内有一很小的缝隙，但不影响电流及磁场的分布)．设初始时刻矩形回路一边与导体轴线重合，求：Bϖ(1) t (t <vR) 时刻回路中的感应电动势． (2) 回路中的感应电动势改变方向的时刻．附Ⅴ 课堂例题解答见近代物理习题课 附 稳恒磁场习题课课堂例题解答一.选择题 DABBCC 二.填空题1. aIB2. )11(20π-RI μ 、垂直纸面向里．3. 矫顽力小、容易退磁4. I / (2πr )、μI / (2πr )三.计算题1. 解：A 点处磁感强度大小B A 由BD 、CE 、BE 三段通电导线中电流决定，由公式)cos (42100θθμ-π=co r IB(式中r 0、θ1、θ2的意义见图)有 CE BD B B = )72cos 36(cos )36sin 72sin 2(40︒+︒︒︒π=R IB BD μR Iπ=40μ )36cos 36(cos )36sin 36sin 2(40︒+︒︒︒π=R I B BE μRIπ=4342.20μ=-=BDBEAB B B 2=πRI 4342.00μ 3.42×10-8 T2.解：P 处的B ϖ可以看作是两载流直导线所产生的，1B ϖ与2B ϖ的方向相同．21B B B += rIπ=40μ+︒--︒)]90sin(60[sin rIπ40μ)]60sin(90[sin ︒--︒rIπ=420μ=︒+︒)60sin 90(sin 3.73×10-3 T 方向垂直纸面向上．3.解：将i ϖ分解为沿圆周和沿轴的两个分量，轴线上的磁场只由前者产生．和导线绕制之螺线管相比较，沿轴方向单位长度螺线管表面之电流i 的沿圆周分量i sin α就相当于螺线管的nI ． 利用长直螺线管轴线上磁场的公式 B = μ0nIϖI本题的结果 B = μ0 i sin α4.解：由安培环路定理：∑⎰⋅=i I l H ϖϖd0< r <R 1区域： 212/2R Ir rH =π212R Ir H π=， 2102R Ir B π=μR 1< r <R 2区域： I rH =π2r I H π=2， r I B π=2μ R 2< r <R 3区域：)()(22223222R R R r I I rH ---=π )1(22223222R R R r r IH ---π= )1(2222322200R R R r r IH B ---π==μμ r >R 3区域：H = 0，B = 0。