第七章电磁感应.ppt [兼容模式]
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§7-1 电磁感应定律
一、电磁感应定律的发现
• 1820年,Oersted发现电流磁效应• Faraday的前期实验
• 1824年,将强磁铁放在线圈中,线圈附近的小磁针不偏转。
• 1825年,将导体回路放在另一通有强电流的回路附近,没有在导体回路中测到电流。
• 1828年,设计了专门的装置,使回路与磁铁处于不同的位置,仍未见回路中产生电流。
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• Ampere进行了类似实验,同样无结果。实际上,在1822年Ampere和他的助手Auguste
de la Rive已经在实验上发现一个电流可以感应出另一个电流,但Ampere忽视了这一重大发现。
• Colladon实验(1823年)
实验:将磁铁插入螺线
管中或从其中拔出,
观察是否会在螺线管线圈中产生电流。
失败:没有助手。
S
N
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• “间接”电磁感应现象在从1820年开始的漫长探索期间,电磁感应现象实际上已多次被观察到,只是表现形式比较间接。
• 1822年,Arago和Humboldt在测量地磁时发现磁针附近的金属物体对磁针的振动有阻尼作用--电磁阻尼现象。
• 1824年,Arago圆盘实验--电磁驱动。旋转的铜盘可以带动悬掉于其上方的磁针转动,但有所滞后;
反之以磁铁代替磁针,转动磁铁也会带动铜盘转动,二者的旋转也是异步的。
• 1829年,Henry在研究用不同长度的导线缠绕的电磁铁的提举力时,发现当通电流的线圈与电源断开时,在断开处会产生强烈电火花--自感现象。
(1832年Henry读到Faraday电磁感应的论文摘要后重新开始研究,同年发表有关自感的论文)
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将线圈A的开关闭合时,小磁针发生偏转,振动并最终停在原来的位置上;再将线圈A的开关断开时,小磁针同样发生偏转,振动并最终停在原来的位置上,只是偏转的方向相反。
同年Faraday又做了多个实验,确定了电磁感应是一种在变化和运动过程中才出现的暂态效应。
• 1831年,Faraday发现电磁感应现象
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1. 电磁感应的共同规律• 通过导体回路的磁通量变化产生感应电动势• 感应电动势的大小只与磁通量变化的快慢有关• 感应电动势总是企图产生一个附加的磁通以阻碍变化
1845年,Neumann给出电磁感应定律的定量表达式:
∫∫ ⋅−=Φ
−= SdBdtd
dtd rr
ε
二、Faraday电磁感应定律
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• 感应电动势是本质,是产生感应电流的原因。即使无感应电流,也会有感应电动势。
• 感应电动势由磁通量的变化产生,而与磁通量本身的大小无关。
• ε的方向,即负号的物理意义:感应电动势引起的电流产生的磁通量总是阻碍
引起感应电动势的原因--楞次定理。
由楞次定理确定ε的方向。
2. 讨论
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§7-2 涡电流与趋肤效应
一、涡电流
1. 产生原因变化的磁场产生涡旋电场。若将块状金属置于
变化磁场中,金属中的电子在涡旋电场的作用下运动形成电流,电流呈涡旋状,称为涡电流。
由于金属电阻小,不大的感应电动势就能产生较强的涡电流。
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• 由涡电流产生的焦耳热• 特点在金属内部产生,不需要热传导来加热。
• 应用高频感应炉、电磁炉
• 缺点铁芯发热。
2. 感应加热
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• 减少涡电流的方法• 高电阻材料,硅钢,在钢中增加硅,而磁导率与铁差不多。
• 多层绝缘片叠加而成,减少涡电流的导体截面积。
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• 原理金属在不均匀磁场中运动,磁通变化产生涡电流,涡电流在磁场中受力阻碍金属的运动(楞次定理)。
• 应用• 指针式电磁仪表中使指针摆动迅速稳定;• STM的防震系统中使弹簧的振动迅速稳定;• 电气火车中使用的电磁制动器。
3. 电磁阻尼
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• 原理磁铁相对圆盘运动产生涡电流,根据楞次定理,涡电流受力将阻止这种相对运动,因此圆盘随磁铁转动。
• 应用磁性式转速表
磁铁的转速越大,对
感应片的转矩就越大,
指针偏转的角度越大。
因此测量指针偏转的角
度即可知道转速大小。
4. 电磁驱动
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交流电通过导体时,产生交变
磁场,而交变磁场产生涡电流。涡
电流的效果使越靠近导体表面的电
流密度越大--趋肤效应。
交变电流频率越高,趋肤效应越明显,电流只在导体表面流过。等效于导线横截面减少,电阻增大,对电流传输有不利影响。
Br
0I1I 2I
二、趋肤效应
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§7-3 动生电动势和感生电动势( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) 称为动生电动势部分带来的感应电动势将由
称为感生电动势部分带来的感应电动势将由
是常矢量时:当
vBtB
vBtB
dtBd
BvBvBvvBv
BvtB
tz
zB
ty
yB
tx
xB
tB
dtBd
tzyxB
rr
r
rrrr
rrrrrrrr
r
rrrrrrrr
r
××∇∂∂
××∇+∂∂
=∴
∇⋅=⋅∇−∇⋅=××∇
∇⋅+∂∂
=∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
+∂∂
∂∂
+∂∂
=
,,,
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一、动生电动势
1. 闭合线圈
( ) ( ) ( )
动才产生动生电动势。
--切割磁感应线的运对动生电动势没有贡献
感应线方向一致的部分不运动或运动方向与磁
。表明:,则或若
)=(若
000
0
==×=
⋅×=⋅×−=⋅××∇−=
∂∂
⋅−=
⋅−=−=
∫∫∫∫∫∫
∫∫
ε
Φε
Bvv
ldBvldvBSdvBtBSd
dtBd
SdBdtd
dtd
S
S
S
rrr
rrrrrrrrr
rr
r
rr
)0( =∂∂
tBr
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1)若ε > 0,a、b两点哪个电势高?2)作为电源
因此 就是非静电力
3)导体中的电荷受力:洛仑兹力。动生电动势产生于磁场对运动导体内
自由电荷的洛仑兹力。
问题:电源电动势来源于非静电力做功,但洛仑兹力不做功。
( ) ldBvb
a
rrr⋅×= ∫ε
Bvrr
× Kr∫ ⋅=
b
aldKrr
ε
BvqKqFrrrr
×==
2. 一段导体
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导线以速度 运动,导线内电子受洛仑兹力,产生一个向下的速度 ,合速度为 。
若要导体保持匀速运动,则必须提供外力 :
vr
ur
uv rr+
( ) ( ) ( ) ffBueBveBuveF ′+=×−+×−=×+−=∴rrrrrrrrrr
f ′′r
Bueffrrrr
×=′−=′′
3. 再论洛仑兹力不做功
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功率:
因此:
1)洛仑兹力做功:P=P1+P2=0洛仑兹力不提供能量,只转移能量。
2)外力做功:外力通过克服洛仑兹力的一个分量f’所做的功通
过洛仑兹力的另一个分量f 转化为电能。3)动生电动势可以完全为静电场规律所证明,没有提供新的规律。
( )( ) ( )
( ) vBuePPf
uBvevBuevfPf
uBveufPf
rrrr
rrrrrrrrr
rrrrrr
⋅×=−=′′
⋅×=⋅×−=⋅′=′
⋅×−=⋅=
23
2
1
:
:
:
( ) vBuePP rrr⋅×=−= 23
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二、感生电动势
1. 感生电动势
)0( =× vB rr
( )
tBK
SdKldKK
SdtB
vBSddtBd
SdBdtd
dtd
S
S
S
∂∂
−=×∇
⋅×∇=⋅=
⋅∂∂
−=
=×⋅−=
⋅−=−=
∫∫∫∫∫
∫∫
∫∫
rr
rrrrr
rr
rrrr
rr
ε
Φε
,非静电力
)(若
0
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定义
静电场: 由电荷产生。
涡旋电场: 由变化的磁场产生。
与静电场不同--新的物理规律。
总电场
旋EKrr
=
0=⋅∫ ldErr
势
0≠⋅∫ ldErr
旋
tBE
∂∂
−=×∇r
r旋
旋势 EEErrr
+=
的环路定理)(变化磁场存在时电场
旋
tBE
SdtBldEldE
∂∂
−=×∇
⋅∂∂
−=⋅=⋅ ∫∫∫∫r
r
rr
rrrr
2. 涡旋电场
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如图,磁感应强度B在圆内均匀,且以恒定速率随时间变化:
求下列情况下a、b两点的电势差。1)a、b间以跨过二、三、四象限的圆弧导线相连;
2)a、b间以跨过第一象限的圆弧导线相连;3)a、b间没有导线连接。
CdtdB
= O×
××
×a
br
Br
例题
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Gauss定理不变:
因为涡旋电场 的电场线都是闭合的。
势旋 EEErrr
+=
0εqSdE =⋅∫∫
rr
旋Er
3. 涡旋电场存在时电场的Gauss定理
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因此对于由S1和S2构成的闭合曲面S,有:
1S
2S
L
??0=⋅∫∫ SdBrr
∫∫∫∫
∫∫∫∫∫
⋅∂∂
=⋅∂∂
∴
⋅∂∂
−=⋅∂∂
−=⋅
21
21
SS
SSL
SdtBSd
tB
SdtBSd
tBldE
rr
rr
rr
rr
rr
0=⋅∂∂
∫∫SSd
tB rr
4. 变化磁场的Gauss定理
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( )
定理仍然成立。
,时刻只有静磁场,则我们认为在
的初始时刻决定。由其中常数
Gauss 000
0
0
0
=⋅∇∴
===
=⋅∇
=⋅∇∂∂
=∂∂
⋅∇∴
=∂∂
⋅∇=⋅∂∂
∴ ∫∫∫∫∫
BCt
tCCB
Btt
B
dVtBSd
tB
VS
r
r
rr
rr
r
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运动物体的电磁感应现象具有不对称性
• 以磁铁为参照系磁场分布不随时间变化,电动势为动生电动势,来源于磁场的洛仑兹力。
• 以线圈为参照系磁场随时间变化,电动势为感生电动势,来源于涡旋电场的非静电力。
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为什么对于不同参照系,电磁规律的表现形式不同?已建立的电磁规律是相对于哪个参照系?
相对性原理:电磁场在不同惯性系中应满足同样规律⇒狭义相对论。
• 1905年,爱因斯坦,“论运动物体的电动力学”,建立狭义相对论的第一篇论文。
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§7-4 互感与自感一、互感
1. 互感现象一个线圈中的电流发生变化,在另一个线圈中
产 生感应电动势的现象。
2. 互感系数线圈1中的电流为I1,它产生的磁场通过线圈2的
全磁通为Φ12。由BSL定理,线圈1产生的磁感应强度与I1成正比,因此当两个线圈的位置、形状不变时:
Φ12= M12 I1 M12称为互感系数
同样: Φ21= M21 I2
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M12 = M21
证明:(利用磁矢势)
MMr
ldldr
ldldM
IMIr
ldld
ldr
ldIldASdB
ABrrrr
ldIA
L LL L
L L
L LLS
L
==⋅
→⋅
=∴
=
⋅=
⋅=⋅=⋅=Φ
×∇====
∫ ∫∫ ∫
∫ ∫
∫ ∫∫∫∫
∫
21120210
12
1121210
2110
21112
112112110
1
1 22 1
2 1
2 122
1
44
4
4
)( 4
rrrr
rr
rr
rrrr
rrr
r
πµ
πµ
πµ
πµ
πµ
交换下标
3. 互感系数的对称性
1I 2I
1S1L
1ldr 12rr
21rr2S
2L
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M单位:亨利(H) 1H=1V⋅s/A
5. M的计算• 由定义• 由公式
−=
−=Φ
−=
dtdIM
dtdIM
dtd
21
1122
ε
ε
112 MI=Φ
∫ ∫⋅
=2 1
210
4 L L rldldMrr
πµ
4. 互感电动势
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例1:
S
L1N
2N
VnnSLNN
IM
SILNNSBN
IL
NInB
21021
01
12
121
01212
11
01101
µµ
µ
µµ
==Φ
=∴
==Φ
==
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例2: a
bc
3
220
3
2202
3
20
2
2
2
b
cba
IM
Ic
baaBcbIB
Ibcac
πµ
πµπ
µ
=Φ
=∴
=⋅=Φ=
>>>> 中电流,假设线圈,若
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例3:
0x
222 xa −
x
dx
( )
( )( ) ( )22
022
0
220220
220
222
2 2
allMallI
xldxxaIdxxa
xlI
dxxadSxl
IB
a
a
a
a
−−=∴−−=
−−
=−−
=Φ
−=−
=
∫∫ −−
µµ
πµ
πµ
πµ
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讨论
• 互感系数是由回路自身的几何特性和介质特性决定的。
• 两种定义:
在没有铁磁介质,回路不变形时是等效的。前者用于计算,后者用于测量。
• M的正负:由两个线圈中I的方向决定。
−=
Φ=
dtdIM
IM1
1212
112
ε
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例4:如图,两个同心共面的圆线圈半径分别为a、b (b>>a),其中b中通有恒定电流I。若小线圈绕其直径以匀角速度ω转动(电阻为R, 自感可忽略)。求:大线圈中的感应电动势。
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解:首先求小线圈中的电流ia,然后计算两个线圈的互感系数M,最后利用互感电动势来计算大线圈中的感应电动势。
小线圈中磁场近似均匀:
tbRaI
Ri aa ω
ωπµε sin2
20==
tbaI
dtd
a ωωπµ
ε sin2
20=
Φ−=
bIB
20µ
= tabISB a ωπ
µ cos2
20=⋅=Φvv
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两线圈的互感为:
小线圈在大线圈中的磁通:
tba
IM ω
πµ cos2
20=
Φ= 注意:互感是随时间变化的。
tRbaItt
RbaIMia ω
ωπµωω
ωπµ 2sin8
sincos4 2
24220
2
24220 ===Φ’
tRbaI
dtd
b ωωπµ
ε 2cos4 2
24220−=
Φ′−=∴
负号表示εb方向与I方向相反
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1. 自感现象一个线圈中的电流变化,会改变通过该线圈的磁
通量,从而在自身产生感应电动势。
2. 自感系数
问题: ,但在积分中, 和 总要重合,此时r = 0,L→∞。因此该公式并不实用。
∫ ∫⋅
==
=Φ
1 1
21011 4 L L r
ldldML
LIrr
πµ
21 rrr rr−= 1ld
r2ldr
1ldr
2ldr
1L
二、自感
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4. 自感的计算按定义: L=Φ/I(理想螺线管 )
实际情况比较复杂
• 传导线有尺寸,传导线所围面积该如何算?内边缘、外边缘还是中心?
dtdIL
dtd
−=Φ
−=ε
VnnNSL 200 µµ ==
3. 自感电动势
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• 有效匝数实际的螺线管,不是每匝的Φ都相同。中心处:B=µ0nI,Φ=BS= µ0nIS两端: B=µ0nI/2,Φ= µ0nIS/2
• 一般来说自感是由仪器测量得到• 高频近似对高频交流电来说,趋肤效应显著,电流大体分布在导体表面。
为中心处磁通)(总 ΦΦ=Φ=Φ∴ ∑ effi N
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同轴电缆由半径为R1的实心导线和共轴的圆柱导体壳组成,设导体壳半径R2,厚度忽略。在高频近似下求单位长度电缆的自感。
解:高频近似下电流沿实心导体外表面分布
1
20
1
20
21
210
ln2
ln2
)( 0
)( 2
2
1 RR
IL
RRIBdrBdS
RrRr
RrRrI
B
R
RS πµ
πµ
πµ
=Φ
=∴===Φ
><
<<=
∫∫∫
或
例题
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1
200
1
2000
2
210
121
00
ln28
ln28
)( 0
)( 2
)( 22
2
1
1
RR
IL
RRIIBdrdr
IIB
Rr
RrRrI
RrRrI
rI
B
R
R
R
πµ
πµ
πµ
πµ
πµ
πµ
πµ
+=Φ
=∴
+=+′
=Φ
>
<<
<=′
=
∫∫
变化:若电流沿实心导体截面均匀分布
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1. 理想耦合一个线圈产生的磁通全部通过另一个线圈(无漏磁)
线圈1:匝数N1,电流I1,产生磁通Φ1;
线圈2:匝数N2,电流I2,产生磁通Φ2。
则:
一般情况下,有漏磁,
212
21
212121
2
222
1
111
2
21
1
12
LLMMII
NNLL
INL
INL
IN
INM
==ΦΦ
=∴
Φ=
Φ=
Φ=
Φ=
1 21 <= kLLkM
三、线圈的串并联
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• 同名端与异名端如图,a与a’是同名端
a与b’是异名端
• 异名端相接称为“顺接”,同名端相接称为“反接”。
a b a′ b′
* *
2. 线圈的串并联
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a)顺接两线圈磁场同向,磁通互相加强。
( )( )
( )
( )
( )
( )2
2121
2121
22
2
11
1
212212222
121121111
2
2
LLMLLL
dtdIL
dtdIMLL
dtdIML
dtd
dtdIML
dtd
IMLMIILIMLMIIL
+ →++=∴
−=++−=+=
+−=−=
+−=−=∴
+=+=+=+=+=+=
理想耦合
εεε
Φε
Φε
ΦΦΦ
ΦΦΦ
1)线圈串联
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b)反接两线圈磁通互相抵消,
( )( )
( )
( )2
2121
2121
212222
121111
2
2
LLMLLL
dtdIMLL
IMLIML
− →−+=∴
−+−=+=
−=−=
−=−=
理想耦合
εεε
ΦΦΦ
ΦΦΦ
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a)同名端相接(两线圈磁通相抵消)
( ) ( )
02
2
22
22
21
221
21
221
21
1
21
21
211
2
1
211
2
2121
22
11
122
211
2121
→++
−=∴
++−
−=
++
+−
+++
−=
−−=
+++
=+
++=∴+=
+=+⇒
−−=
−−=
+===
理想耦合
又:
MLLMLLL
dtdI
MLLMLL
dtdI
MLLMLM
MLLMLL
dtdIM
dtdIL
dtdI
MLMLL
dtdI
MLMLL
dtdI
dtdI
dtdI
dtdI
dtdIML
dtdIML
dtdIM
dtdIL
dtdIM
dtdIL
III
ε
ε
εεε
2)线圈并联
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b)异名端相接(两线圈磁通相加强)将M→-M即可:
讨论:
• 若L1=L2=L0
• 若L1≠L2
理想耦合
MLLMLLL221
221
−+−
=
( ) 000
220
21
22LML
MLMLL →+=
−−
= 理想耦合
0 21 =∴= LLLM
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例:
如图,ab、a’b’均为自感L0的线圈,问按以下方法连接时两个线圈的总自感:
1)b、b’相连;2)a、b’相连;3)a、a’相连,b、b’相连。
ba
a′ b′
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M = 0
与同名端、异名端无关
4. 分布式电感
+=
+=
21
21
21
LLLLL
LLL
并联:
串联:
=
Φ
Φ
nnnn
n
n I
I
MM
MMM
L
MOM
L
M
1
1
1111
3. 无耦合
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§7-5 似稳电路和暂态过程
稳恒电流 稳恒电路
交变电流 似稳电路
似稳条件--建立似稳电路方程--似稳电路的暂态过程
似稳条件
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当电源电动势变化时,电路各部分的电荷分布与电场分布随之变化,导致电流变化。这一变化以光速c传播。
设电路尺寸l,电源变化频率f,若满足条件:
则可近似认为电路对电源变化的响应不需要时间。此时电流将随电源同步变化,每个时刻电流与电源电动势的关系与稳恒电路相同。
上式即似稳条件。
( )λ<<<< lfc
l或 1
一、似稳条件
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1. 单一闭合回路出发点:电荷守恒、电磁感应定律、欧姆定律
• 电容
电流i(t),取高斯面S如图,由电荷守恒:
dtdqSdj
S
−=⋅∫∫rr
∫∫∫ ===⋅−=∴ idtCC
qudtdqSdji C
S
1 rr
S( )tiC
二、似稳电路方程
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• 电感由电磁感应定律:
由欧姆定律:
对于纯电感,电阻为0,
如果有互感M,则:
( )ti L∫ ⋅=−= ldE
dtdiLe
rr旋
( )旋势 EEjrrr
+= σ
dtdiLldEldEu
EEjE
L =⋅−=⋅=
−−=∴
∫∫rrrr
rrr
r
旋势
势势旋 =σ
dtidM
dtdiLuL
′+=
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• 电阻
• 单一闭合回路iRuR =
′
+++=
++=
∫ dtidM
dtdiLidt
CiR
uuue LCR
1
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基尔霍夫定律:
• 第一定律:对每一时刻,流入任一节点的电流等于从该点流出的电流。
• 第二定律:对每一时刻,沿任一回路的电源电动势的代数和等于全部元件的电压的代数和。
正负的取法与稳恒电路相同。
(对互感项,涉及i’的正负。若i’流向与主回路绕行方向是从同名端流入, i’取正。)
( ) ( )∑∑ = titi 出入
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
′
+++= ∑∑∑ ∫∑∑ dttidM
dttdiLdtti
CRtite 1
2. 多回路似稳电路
University of Science and Technology of China
电路从一个稳态变化到另一个稳态的过程。典型电路的暂态过程:
1. R-L电路• 充电过程(t=0时K由b→a)
( )
RL
RIeIe
Ri
RIiI
RIei
dtdiLiR
L
tt
LR
tLR
L ==
−=
−=∴
−=⇒=+=
+=
−−
−
τεε
εε
ε
τ ,
:常数。解得:
00 11
00
三、暂态过程
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• 放电过程(t=0时K由a→b)
( )
L
t
tLR
eIi
RI
Ri
IeidtdiLiR
τ
εε
−
−
=∴
=⇒=
=+=
0
0
0 解得:
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• 充电
• 放电
( )[ ]( ) RItII
RCCqtqq
qCdt
dqR
idtC
iR
C
CC
ετ
τετ
ε
=−=
==−−=∴
+=
+= ∫
00
00
exp exp1
1
1
,
CC
tt
eIIeqqqCdt
dqR ττ−−
−==∴+= 00 10
2. R-C电路
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• 充电
( )
为固有频率。是阻尼因子,阻尼振荡方程,其中
,初始条件:
,,
0
0
00
020
202
2
2
2
000
12
2
1
1
ωβ
εωβ
ωωβ
ε
==
===
=++
++=
++=
=
∫
tdtdqq
CqLCL
R
qqdtdq
dtqd
dtqdLq
CdtdqR
dtdiLidt
CiR
3. R-L-C电路
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i)欠阻尼(β < ω0)
ii)过阻尼(β > ω0)
iii)临界阻尼(β = ω0)
220
00 sincos
βωω
ωωβ
ωβ
−=
+−= −
其中
tteqqq t
( ) ( )[ ]20
2
00 21
ωβγ
γβγβγ
γγβ
−=
−−+−= −−
其中
ttt eeeqqq
( ) tetqqq ββ −+−= 100
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• 放电
( )
即为充电过程的解。,
其解为:
,
qqqq
dtqdqq
qdtqd
dtqd
t
−=′
=′
=′
=′+′
+′
=
0
00
202
2
0 0
02 ωβ
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例:一边长为a的正方形线框自感为L,电阻为R。若线框以匀速率v进入磁场B中(如图),求线框中的电流I。
a
v
B
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小结
• 动生电动势和感生电动势Ø动生电动势(来源于洛仑兹力)
Ø感生电动势(来源于涡旋电场)
dtdΦ
−=ε
( )∫ ⋅×= ldBvrrr
ε ( )∫ ⋅×=b
aldBvrrr
ε
∫∫∫ ⋅=⋅∂∂
−= ldESdtB rrrr
旋εtBE
∂∂
−=×∇r
r旋
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Ø互感
Ø自感
−=
−=Φ
−=
===Φ
dtdIM
dtdIM
dtd
MMMIM
21
1122
211211212
ε
ε互感电动势:
dtdIL
LI
−=
=Φ
ε
•互感与自感
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理想耦合 无耦合
• 串联:顺接:L=L1+L2+2M反接:L=L1+L2-2M
• 并联:同名端相接:
异名端相接:
• 无耦合:串联:L=L1+L2 并联:
21LLM = 0=M
MLLMLLL221
221
−+−
=
MLLMLLL221
221
++−
=
21
21
LLLLL
+=
Ø线圈串并联
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Ø似稳条件
Ø电路方程• 电容
• 电感
注意电动势与电势差的区别:
• 电阻
fcl 1
<<
∫= idtC
uC1
′
+=dtidM
dtdiLuL
iRuR =∫∫ ⋅=⋅=
b
aab ldEUldErrrr
势旋 ε
•似稳电路与暂态过程