上海交通大学大学物理变化电磁场

习题88-1．如图所示，金属圆环半径为R ，位于磁感应强度为B的均匀磁场中，圆环平面与磁场方向垂直。

当圆环以恒定速度v在环所在平面内运动时，求环中的感应电动势及环上位于与运动方向垂直的直径两端a 、b 间的电势差。

解：（1）由法拉第电磁感应定律i d dtεΦ=-，考虑到圆环内的磁通量不变，所以，环中的感应电动势0i ε=； （2）利用：()aab bv B dl ε=⨯⋅⎰，有：22ab Bv R Bv R ε=⋅=。

【注：相同电动势的两个电源并联，并联后等效电源电动势不变】8-2．如图所示，长直导线中通有电流A I 0.5=，在与其相距cm 5.0=d 处放有一矩形线圈，共1000匝，设线圈长cm 0.4=l ，宽cm 0.2=a 。

不计线圈自感，若线圈以速度cm/s 0.3=v 沿垂直于长导线的方向向右 运动，线圈中的感生电动势多大？解法一：利用法拉第电磁感应定律解决。

首先用0lB dl I μ⋅=∑⎰ 求出电场分布，易得：02I B rμπ=， 则矩形线圈内的磁通量为：00ln22x axI I l x al dr r xμμππ++Φ=⋅=⎰， 由i d Nd t εΦ=-，有：011()2i N I l d xx a x dtμεπ=--⋅+ ∴当x d =时，有：041.92102()i N I l a v V d a μεπ-==⨯+。

解法二：利用动生电动势公式解决。

由0lB dl I μ⋅=∑⎰ 求出电场分布，易得：02I B rμπ=， 考虑线圈框架的两个平行长直导线部分产生动生电动势， 近端部分：11NB l v ε=， 远端部分：22NB lv ε=， 则：12εεε=-=00411() 1.921022()N I N I al v l v V d d a d d a μμππ--==⨯++。

8-3．如图所示，长直导线中通有电流强度为I 的电流，长为l 的金属棒ab 与长直导线共面且垂直于导线放置，其a 端离导线为d ，并以速度v平行于长直导线作匀速运动，求金属棒中的感应电动势ε并比较U a 、U b 的电势大小。

第8章变化的电磁场一、选择题1.若用条形磁铁竖直插入木质圆坏，则在坏中是否产生感应电流和感应电动势的判断](A)产生感应电动势，也产生感应电流(B)产生感应电动势，不产生感应电流(C)不产生感应电动势，也不产生感应电流(D)不产生感应电动势,产生感应电流T 8-1-1 图2.关于电磁感应，下列说法中正确的是[](A)变化着的电场所产生的磁场一定随吋间而变化(B)变化着的磁场所产生的电场一定随时间而变化(C)有电流就有磁场，没有电流就一定没有磁场(D)变化着的电场所产牛:的磁场不一定随时间而变化3.在有磁场变化着的空间内，如果没有导体存在，则该空间[](A)既无感应电场又无感应电流(B)既无感应电场又无感应电动势(C)有感应电场和感应电动势(D)有感应电场无感应电动势4.在有磁场变化着的空间里没有实体物质，则此空间屮没有[](A)电场(B)电力(C)感生电动势(D)感生电流5.两根相同的磁铁分别用相同的速度同时插进两个尺寸完全相同的木环和铜环内，在同一时刻，通过两环包闱面积的磁通量[](A)相同(B)不相同，铜环的磁通量大于木环的磁通量(C)不相同，木环的磁通量大于铜环的磁通量(D)因为木环内无磁通量，不好进行比佼_6.半径为G的圆线圈置于磁感应强度为一B的均匀磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，线圈电阻为几当把线圈转动使其法向与〃的夹角曰=6(?时，线圈中通过的电量与线圈面积及转动的时间的关系是](A)与线圈面积成反比，与时间无关(B)与线圈面积成反比，与时间成正比(C)与线圈面积成正比，与时间无关(D)与线圈面积成正比，与时间成正比7.一个半径为r的圆线圈置于均匀磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，线圈电阻为R・当线圈转过30。

时，以下各量中，与线圈转动快慢无关的量是[](A)线圈中的感应电动势(B)线圈中的感应电流(C)通过线圈的感应电量(D)线圈回路上的感应电场& 一闭合圆形线圈放在均匀磁场中，线圈平面的法线与磁场成30。

习题1111-1．直角三角形ABC的A点上，有电荷C108.191-⨯=q，B点上有电荷C108.492-⨯-=q，试求C点的电场强度(设0.04mBC=，0.03mAC=)。

解：1q在C点产生的场强：1124ACqE irπε=，2q在C点产生的场强：2224BCqE jr=，∴C点的电场强度：44122.710 1.810E E E i j=+=⨯+⨯；C点的合场强：4123.2410VE m==⨯，方向如图：1.8arctan33.73342'2.7α===。

11-2．用细的塑料棒弯成半径为cm50的圆环，两端间空隙为cm2，电量为C1012.39-⨯和方向。

解：∵棒长为2 3.12l r d mπ=-=，∴电荷线密度：911.010q C mlλ--==⨯⋅可利用补偿法，若有一均匀带电闭合线圈，则圆心处的合场强为0，有一段空隙，则圆心处场强等于闭合线圈产生电场再减去md02.0=长的带电棒在该点产生的场强，即所求问题转化为求缺口处带负电荷的塑料棒在O点产生的场强。

解法1：利用微元积分：21cos4O xRddERλθθπε=⋅，∴2000cos2sin2444OdE dR R Rααλλλθθααπεπεπε-==⋅≈⋅=⎰10.72V m-=⋅；解法2：直接利用点电荷场强公式：由于d r<<，该小段可看成点电荷：112.010q d Cλ-'==⨯，则圆心处场强：1191222.0109.0100.724(0.5)OqE V mRπε--'⨯==⨯⨯=⋅。

方向由圆心指向缝隙处。

11-3．将一“无限长”带电细线弯成图示形状，设电荷均匀分布，电荷线密度为λ，四分之一圆弧AB的半径为R，试求圆ix心O 点的场强。

解：以O 为坐标原点建立xOy 坐标，如图所示。

①对于半无限长导线A ∞在O 点的场强：有：00(cos cos )42(sin sin )42Ax A y E R E R λπππελπππε=-=-⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩②对于半无限长导线B ∞在O 点的场强：有：00(sin sin )42(cos cos )42B x B y E R E R λπππελπππε=-=-⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩③对于AB 圆弧在O 点的场强：有：20002000cos (sin sin )442sin (cos cos )442AB x AB y E d R R E d R R ππλλπθθππεπελλπθθππεπε==-=⎧⎪⎪⎨⎪⎪=--⎩⎰⎰∴总场强：04O x E R λπε=，04O y E R λπε=，得：0()4O E i j R λπε=+。

大作业解答变化的电磁场P.1一、选择题1.一导体圆线圈在均匀磁场中运动, 能使其中产生感应电流的一种情况是(A) 线圈绕自身直径轴转动, 轴与磁场方向平行.(B) 线圈绕自身直径轴转动, 轴与磁场方向垂直.(C) 线圈平面垂直于磁场并沿垂直磁场方向平移.(D) 线圈平面平行于磁场并沿垂直磁场方向平移.2.如图, 长度为l 的直导线ab 在均匀磁场中以速度移动, 直导线ab 中的电动势为(A) Bl v . (B) Bl v sin a . (C) Bl v cos a . (D) 0.B v Bva bα⎰⋅⨯ba lB d )(vP.23.如图所示, 直角三角形金属框架abc 放在均匀磁场中, 磁场平行于ab 边, bc 的长度为l . 当金属框架绕ab 边以匀角速度ω转动时, abc 回路中的感应电动势εi 和a 、c 两点间的电势差U a –U c 为B 2i 21,0)A (l B U U c a ωε=-=2i 21,0)B (l B U U c a ωε-=-=22i 21,)C (l B U U l B c a ωωε=-=22i 21,)D (l B U U l B c a ωωε-=-=Bl b acωP.34. 对于单匝线圈取自感系数的定义式为L =Φm /I . 当线圈的几何形状、大小及周围磁介质分布不变, 且无铁磁性物质时, 若线圈中的电流强度变小, 则线圈的自感系数L(A) 不变.(B) 变小.(C) 变大, 与电流成反比关系.(D) 变大, 但与电流不成反比关系.P.4VB LI W μ22m 2121==nI B μ=222πr l n V n L μμ==5.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r1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L1:L 2与磁能之比W m1:W m2分别为:(A)L1:L 2 = 1:1, W m1:W m2 = 1:1(B)L 1:L 2= 1:2, W m1:W m2= 1:1(C)L 1:L2 = 1:2, W m1:W m2 = 1:2(D)L 1:L 2 = 2:1, W m1:W m2= 2:1解: 已知自感系数与长直密绕螺线管内部磁场分别为磁场能量为P.5St B Sd ⋅∂∂=⎰ε6.在圆柱形空间内有一磁感应强度为的均匀磁场,如图所示. 的大小以速率变化. 有一长度为l 0的金属棒先后放在磁场的两个不同位置ab 和a 'b ',那么,金属棒在这两个位置时棒内的感应电动势的大小关系为(A)(B)(C)(D)Oa 'bb 'a ⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯B Bt B d d 0≠=''b a ab εεabb a εε>''abb a εε<''0==''ab b a εεB 解:P.67:电磁波的电场强度、磁场强度和传播速度的关系是(A) 三者互相垂直, 而和位相相差(B) 三者互相垂直, 而、、构成右旋系统(C) 三者中和是同方向的, 但都与垂直(D) 三者中和可以是任意方向的, 但都必须与垂直E H u u E E E E H H u u H H 2π/P.7St D S j I I l H S S d Ld d d 0⋅∂∂+⋅=+=⋅⎰⎰⎰8.如图所示, 平板电容器(忽略边缘效应)充电时, 沿环路L 1、L 2磁场强度的环流中, 必有:(A) (B) (C) (D) H⎰⎰⋅>⋅21d d L L l H l H ⎰⎰⋅=⋅21d d L L l H l H ⎰⎰⋅<⋅21d d L L l H l H 0d 1=⋅⎰L l H L 2L 1解:P.8二、填空题1.一根直导线在磁感应强度为的均匀磁场中以速度切割磁力线运动, 导线中对应于非静电力的场强(称作非静电场场强) ⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.B v =k E解:lE l B L Ld d )(i ⋅=⋅⨯=⎰⎰感v εB ⨯v 2.载有恒定电流I 的长直导线旁有一半圆环导线MN, 半圆环半径为b , 环面与直导线垂直, 且半圆环两端点连线的延长线与直导线相交, 如图所示.当半圆环以速度沿平行于直导线的方向平移时, 半圆环上的感应电动势的大小是⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.v abM O N 的方向I v 解:⎰⋅⨯==L l B d )(MN MN v εεba b a I -+⋅=ln π20v μP.9I o rωa 3.如图所示, 一半径为r 的很小的金属圆环, 在初始时刻与一半径为a (a >>r )的大金属圆环共面且同心. 在大圆环中通以恒定的电流I , 方向如图. 如果小圆环以角速度ω绕其任一方向的直径转动, 并设小圆环的电阻为R , 则任一时刻t 通过小圆环的磁通量Φm =⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽; 小圆环中的感应电流i = ⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.解:t r a It BS Φωμωcos π2cos 20m =≈tr aR I t ΦR R i ωωμεsin π2d d 120===P.10 4.如图, 通有电流I0的长直导线旁, 有一与其共面、且相距为d 的U 形导轨, 在导轨上有电阻为R 的金属棒AB,其长度为a , 以速度向右沿导轨平动, 不计一切摩擦, 则AB 棒上的感应电动势为; AB 棒所受安培力的大小为, 方向为⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.v r r I l B a d d d 2πd )(00i v v ⎰⎰+=⋅⨯=με d ad I +ln 2π00vμ⎰⨯=B l I F d ⎰++⋅=ad d r r I d a d I R F d π2ln 2π0000μμv 向左Ad R aBR vIR d a d I v 200ln 2π⎥⎦⎤⎢⎣⎡+μP.115.自感系数L =0.3H 的长直螺线管中通以I =8A 的电流时, 螺线管存储的磁场能量W m =⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.解:221LI L =J6.983.0212=⨯⨯=6.将条形磁铁插入与冲击电流计串联的金属环中时,有q =2.0⨯10-5C 的电荷通过电流计. 若连接电流计的电路总电阻R =25Ω, 则穿过环的磁通量的变化∆Φm ＝⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.解:m 1ΦR q ∆-=RqΦ=∆m Wb 105.04-⨯P.127.由半径为r 的两块圆板组成的平行板电容器,在放电时两板间的电场强度的大小为,式中E 0、RC t E E -=e 0R 、C 均为常数. 则两板间的位移电流的大小为⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽; 其方向与场强方向⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.解:S t Dt ΦI d d d d d D ==St Ed d 0ε=RCtr RC E --=e π200ε流向与电场方向相反P.13试判断下列结论是包含于或者等效于哪一个麦克斯韦方程式的,将你确定的方程式用代号填在相应结论后的空白处：:(1) 变化的磁场一定伴随有电场: ⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽;(2) 磁感应线是无头无尾的: ⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽;(3) 电荷总伴随有电场: ⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽⎽.231⎰∑==⋅s n i q S D 0i d ⎰-=⋅L t Φl E d d d m⎰=⋅sS B 0d ⎰∑+=⋅=L ni tΦI l H d d d D0i 8.反映电磁场基本性质和规律的积分形式的麦克斯韦方程组为：(1)(2)(4)(3)P.14三、计算题解:rr I l B t l a t a d 2πsin d )(0cos cos i μθεθθ⎰⎰+++-=⋅⨯=v v v v θθθμcos cosln sin 2π0t a t l a I v v v +++-=A 端电势髙a a +lO r 1. 如图所示, 一长直导线中通有电流I ，有一垂直于导线、长度为l 的金属棒AB 在包含导线的平面内, 以恒定的速度沿与棒成θ角的方向移动. 开始时, 棒的A 端到导线的距离为a , 求任意时刻金属棒中的动生电动势, 并指出棒哪端的电势高.v I a lA BvθP.15直于磁场方向,如图所示.回路的CD 段为滑动导线,以匀速远离A 端运动,且始终保持回路为等边三角形.设滑动导线CD 到A 端的垂直距离为x ,且初始x =0.试求回路ACDA 中的感应电动势ε和时间t 的关系.(其中为常矢量)的均匀磁场中,回路平面垂t B B 0=0Bv 2.将等边三角形平面回路ACDA 放在磁感应强度为⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯v A C DB x 解:⎰⎰=⋅=S S S t B S B Φd d 0mtS B S t B S 00d ==⎰320203330tan t B tx B v =︒=220m3d d t B t Φv -=-=εP.16220200013330tan d d d )d(d t B x B S B S t t B S t B v =︒===⋅∂∂-=⎰⎰⎰ ε220233230tan 2)(tB x B CD B v v v =︒⋅=⋅⨯= ε22022022021333233t B t B t B v v v =+=+=∴εεε⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯v A C D B x 另解:P.173.无限长直导线通以电流.有一与之共面的矩形线圈,其长边与长直导线平行.已知长边为L ,两长边距离长直导分别为a 、b ,位置如图所示.求:(1) 矩形线圈内的感应电动势的大小和感应电动势的方向; (2) 导线与线圈的互感系数.)4exp(0t I I -= b L Ia解: 建立坐标系Oxx L x I x BL S B Φd π2d d d 0m μ==⋅= O x abILx L x I Φb a ln π2d π200m μμ⎰==tIa bLt Φd d ln π2d d 0m i ⋅-=-=μεP.18tI t I I I 404t -0e 4d d e --== t i a b LI 400e ln π2-=∴με方向:顺时针 bLIaabLI abLI I ΦM ln π2ln π200m μμ===tIa bLt I M t Φi d d ln π2d d d d 0m ⋅-=-=-=μεP.19r L l 1R 2R I I 4.由半径为R 1和R 2的的两个薄圆筒形导体组成一同轴电缆,中间填充磁导率为μ的均匀磁介质.电缆内层导体通电流I ,外层导体作为电流返回路径,如图所示.求长度为l 的一段电缆内的磁场储存的能量.解:选图示的安培环路,由介质中的环路定理⎰∑=⋅L I l H d 得:)(π221R r R r IH <<=r IH B π2μμ==磁能密度:222m π821r I BH w μ==体积元:rrl V d π2d =磁场能量:122m m ln π4d 21R R l I V w W R R μ==⎰。

《大学物理I 》作业 No.10 变化的电场和磁场 （A 卷）班级 ________ 学号 ________ 姓名 _________ 成绩 _______一、选择题：1．在法拉第电磁感应定律公式tφε=-d d 中，符号φ的含义是：【 】 (A) SE S φ=⋅⎰d (B) SD S φ=⋅⎰d(C) S B S φ=⋅⎰d(D) SH S φ=⋅⎰d解：由法拉第电磁感应定律定义内容知：符号φ的含义是穿过回路为曲面边界的曲面的磁感应强度B矢量的通量。

故选填：C2．一段导线被弯成圆心都在O 点，半径均为R 的三段圆弧⋂ab ，⋂bc ，⋂ca ，它们构成一个闭合回路。

圆弧⋂ab ，⋂bc ，⋂ca 分别位于三个坐标平面内，如图所示。

均匀磁场B沿 x 轴正向穿过圆弧⋂bc与坐标轴oc ob 、所围成的平面。

设磁感应强度的变化率为常数 k （k >0 ），则【 】(A) 闭合回路中感应电动势的大小为22kπR ，圆弧中电流由c b →(B) 闭合回路中感应电动势的大小为22kπR ，圆弧中电流由b c → (C) 闭合回路中感应电动势的大小为42kπR ，圆弧中电流由c b → (D) 闭合回路中感应电动势的大小为42kπR ，圆弧中电流由b c →解：因穿过闭合回路abca 为边界的曲面和回路ObcO 为边界的曲面的磁通量相等，所以闭合回路的感应电动势大小为：4d d 4d d d d 22i k πR t B πR t Φt ΦObcO abca =⋅===ε又因常数k >0，回路磁通量随时间增加，则由愣次定律知圆弧⋂bc 的感应电流方向由b c →。

故选填：D选择题2图y3．如图所示，直角三角形金属框架abc 放在均匀磁场中，磁场B平行于ab 边，bc 的边长为l 。

当金属框架绕ab 边以匀角速度ω转动时，abc 回路中的感应电动势ε和a 、c 两点的电势差c a U U -分别为：【 】(A) 221,0l B U U c a ωε=-= (B) 2221,l B U U l B c a ωωε-=-= (C) 221,0l B U U c a ωε-=-= (D) 2221,l B U U l B c a ωωε=-=　解：直角三角形金属框架abc 绕直线ab 轴旋转时，回路中磁通量随时间的变化率0d d =tΦ，所以abca 回路中感应电动势 0=ε， 而感应电动势又为：0=++=ca bc ab εεεε总 因为ab 边始终没运动，其感应电动势0=abε则有：bc ac ca ca bc εεεεε--0==⇒=+ 再由动生电动势计算式有直线bc 动生电动势为：()c b l B l B l l B v lcb bc →==⋅⨯=⎰⎰,21d d 20ωωε即知c 端电势高，所以221l B U U U c b bc ω-=-=故有：221l B U U U U U U c b bc c a ac ω-=-==-= 故选填：C4．半径为a 的圆线圈置于磁感强度为B的均匀磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，线圈电阻为R ；当把线圈转动使其法向与B的夹角α=60°时，线圈中通过的电荷与线圈面积及转动所用的时间的关系是【 】(A) 与线圈面积成正比，与时间无关 (B) 与线圈面积成正比，与时间成正比 (C) 与线圈面积成反比，与时间成正比(D) 与线圈面积成反比，与时间无关解: 根据电流强度的定义有线圈中通过的电荷为：BSRBS BS R ΦΦRR Φt t R Φt R t I q 21cos cos6011d d d d d d 12=︒-︒-=--=-=-===⎰⎰⎰⎰)()(0ε故选填：A︒60选择题3图5．若产生如图所示的自感电动势方向，则通过线圈的电流是：【 】(A) 恒定向右 (B) 恒定向左 (C) 增大向左 (D) 增大向右解：根据楞次定律：感应电流产生的磁场将阻碍原磁场（原磁通）的变化，而本题自感电动势方向向右，则感应电流产生的磁场向右，因此原磁向左，原电流也向左。

大学物理课件：第十章第十章变化电磁场的基本规律一、基本要求1．掌握法拉第电磁感应定律。

2．理解动生电动势及感生电动势的概念，本质及计算方法。

3．理解自感系数，互感系数的定义和物理意义，并能计算一些简单问题。

4．了解磁能密度的概念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。

二、基本内容1.电源的电动势在电源内部，把单位正电荷由负极移到正极时，非静电力所做的功为作用于单位正电荷上的非静电力，电动势方向为电源内部电势升高的方向。

2．法拉第电磁感应定律当闭合回路面积中的磁通量随时间变化时，回路中即产生感应电动势：方向由式中负号或楞次定律确定。

该定律是电磁感应的基本规律，无论是闭合回路还是通过作辅助线形成闭合回路，只要能够求出该回路所围面积的磁通量，就可以应用定律得到该回路中的感应电动势。

自感、互感电动势也是该定律的直接结果。

3．.动生电动势动生电动势是导体在稳恒磁场中运动而产生的感应电动势，它的起源是非静电场力——洛伦兹力，其数学表达式为i或ab式中，动生电动势方向沿（）方向。

如ab>0，则Va0，由楞次定律i>0，回路感应电流的方向为顺时针方向（俯视）。

10-5如图所示，一个半径为，电阻为的刚性线圈在匀强磁场中绕轴以转动，若忽略自感，当线圈平题10-5图面转至与平行时，求：（1）AB、AC各等于多少？（注意）（2）确定两点哪点电势高？两点哪点电势高？解：（1）在圆弧CA某点上取一线元，方向如图，与的夹角为，线元因切割磁力线而产生的动生电动势i所以I-间任一段由~的圆弧的动生电动势题10-5图i故BACA（2）由（1）知CA0，则i方向为ADCBA顺时针绕向。

（2）回路沿轴正向运动，，时，时，矩形回路在时刻的磁通量==ii方向为ADCBA（3）回路绕轴以匀速转动。

设回路平面与轴夹角为，在回路中取面积元，与轴相距为，通过面积元的磁通量题10-6（b）图矩形回路的磁通量感应电动势i=方向为ABCDA10-7如图所示，一长直导线通有电流，其附近有正方形线圈，线圈绕轴以匀角速旋转，转轴与导线平行，二者题10-7图相距为，且在线圈平面内与其一边平行并过中心，求任意时刻线圈中的感应电动势。

习题1414-1．如图所示的弓形线框中通有电流I ，求圆心O 处的磁感应强度B 。

解：圆弧在O 点的磁感应强度：00146I IB R R μθμπ==，方向：；直导线在O 点的磁感应强度：0000203[sin 60sin(60)]4cos602IIB R R μμππ=--=，方向：⊗；∴总场强：031)23IB Rμπ=-，方向⊗。

14-2．如图所示，两个半径均为R 的线圈平行共轴放置，其圆心O 1、O 2相距为a ，在两线圈中通以电流强度均为I 的同方向电流。

（1）以O 1O 2连线的中点O 为原点，求轴线上坐标为x 的任意点的磁感应强度大小；（2）试证明：当a R =时，O 点处的磁场最为均匀。

解：见书中载流圆线圈轴线上的磁场，有公式：2032222()I R B R z μ=+。

（1）左线圈在x 处P 点产生的磁感应强度：20132222[()]2P I R B a R x μ=++， 右线圈在x 处P 点产生的磁感应强度：20232222[()]2P I R B aR x μ=+-，1P B 和2P B 方向一致，均沿轴线水平向右，∴P 点磁感应强度：12P P P B B B =+=2330222222[()][()]222I R a a R x R x μ--⎧⎫++++-⎨⎬⎩⎭；（2）因为P B 随x 变化，变化率为d Bd x ，若此变化率在0x =处的变化最缓慢，则O 点处的磁场最为均匀，下面讨论O 点附近磁感应强度随x 变化情况，即对P B 的各阶导数进行讨论。

对B 求一阶导数：d B d x 25502222223()[()]()[()]22222I R a a a a x R x x R x μ--⎧⎫=-++++-+-⎨⎬⎩⎭ 当0x =时，0d Bd x =，可见在O 点，磁感应强度B 有极值。

对B 求二阶导数：22()d d B d Bd x d x d x ==222057572222222222225()5()311222[()][()][()][()]2222a a x x I R a a a a R x R x R x R x μ⎧⎫+-⎪⎪⎪⎪--+-⎨⎬⎪⎪+++++-+-⎪⎪⎩⎭当0x =时，202x d B d x ==222072223[()]2a R I R a R μ-+，可见，当a R >时，2020x d Bd x =>，O 点的磁感应强度B 有极小值，当a R <时，202x d B d x =<，O 点的磁感应强度B 有极大值，当a R =时，2020x d B d x ==，说明磁感应强度B 在O 点附近的磁场是相当均匀的，可看成匀强磁场。

第1章绪论1.1电磁场问题及求解方法自1864年Maxwell以统一的数学模型总结了物理学的基本电磁定律,电磁场理论作为物理学的一个活跃分支,获得了长足的发展,经历了经典电动力学 !相对论电动力学、量子电动力学的飞跃,而且作为无线电工程的理论基础,在各类边值问题的稳态解、瞬态解、边值问题的反演理论等方面进行了广泛而深入的研究.但是在电磁场工程应用中面临的基本问题仍然是求解各种复杂形状和媒质的边值问题.这也是本课程的主要任务.电磁现象是自然界最基本的现象之一.本课程是一门非常基础性的课程,在现代无线通信、光通信、微电子学、生命科学、生物医学工程、电力电机、微纳米科学等俱多领域都有重要应用.电磁场边值问题三要素包含电磁源分布、媒质及边界条件、电磁场分布.三类任务本征值问题:媒质和边界条件 !求可能存在的场分布模式(如距形波导管中的本征模式);场分析:媒质、边条以及源分布 !实际场分布(如室内场分布);逆散射:媒质和边条及实际场分布 !求源分布(雷达).1.1.1电磁场边值问题的三类求解方法解析法:所有这些问题仅在某些极少数的情况(简单媒质和边条)下才有解析形式的严格解.近似法:微扰法、变分法、几何光学、物理光学、几何绕射理论等数值法:算子方程的离散化、计算方法、计算机技术.在大多数的实际问题中必须用数值解法,如矩量法(MoM)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、有限差分法(FDM)、直线法(LM)、小波法(wavelet)、传输线矩阵法(TLM)等.1.1.2解析法严格建立和求解偏微分方程或积分方程+可将解表示为已知函数的显式,从而可以得到精确的数字答案;+可以作为近似解和数值解的检验标准;+结果与物理参数的内在关系明确,有利于设计.大多数情况下物理意义明确.–只有少数情况可以用解析法求解分离变量法求解偏微分方程的经典方法,是将偏微分方程化解为几个常微分方程,然后求常微分方程,解为本征函数或其组合.–要求所选用的坐标系变量可分离.常用的十三中坐标系中只有十一种适用.要求边界与坐标系共面;–要求偏微分方程是齐次的.对于非齐次偏微分方程,只有自由项和系数满足级数展开和积分变换的条件,才能应用.格林函数法先求单位源产生的场分布—Green函数,然后在乘以源分布在源所在区域积分得到总场.+可以利用ı函数的性质,为Green函数的求解带来便利;+只要已知一定条件下的Green函数,不论源分布如何变化,都可以直接应用.–对于许多问题,Green函数的求解相当困难;–Sommerfeld类积分十分困难.1.1.3近似法本质上是一种近似的解析法,即在某些假设条件下对问题简化.可以解决一类解析法无法解决的问题.也可以将解析法可以解决的问题用一种更简便的方式表达.–随着所期望的求解精度的提高,计算量增大,而减少计算量的直接后果的是解的精度不满足要求.–假设条件限制了适用范围.使用时特别要注意前提条件是什么.常用的有:逐步逼近法、微扰法、变分法、迭代变分法、几何光学法、物理光学法、几何绕射理论和物理绕射理论等.微扰法在同一区域、同样边界条件下,考虑两个方程:一个有已知严格解和另一个待求.要求两者相似而且接近.前者的解作为零阶近似,加入微扰后逐步逼近待求方程的解.如已知方程L.'/C 'D0(1.1)其中L为微分算子,'和 分别为本征函数和本征值.待求方程L.'/C. 0 "u/'D0(1.2) '; 0分别为本征函数和本征值,u为所考虑区域的连续函数."为微扰参数, "u'就是微扰项.将'; 0关于"展开:8ˆˆ<ˆˆ:'D'C1Pi D1A i"i0D C1P i D1B i"i(1.3)将式(1.3)代入式(1.2),求解得到A i、B i即可.其缺点是要求微扰量很小.变分法首先将偏微分方程化为相应的变分形式,即找到一个包含待求函数的泛函,而且要求该泛函有极值存在.假设一个试探函数,他与待求函数满足同样的边界条件和初始条件,同时包括几个待定参数—变分参数.由泛函对每一个变分参数的变分等于零得到变分参数—得到由试探函数和变分参数表示的解.试探函数中的变分参数越多,解越精确,但工作量也越大.也可以用迭代方式求解—逐步逼近法.几何绕射理论(GTD)高频近似的经典方法为几何光学和物理光学法,但其前提条件是频率趋向于无穷大(波长趋向于零),因而所讨论的物体(散射体)的尺寸必须远大于波长时才能应用,而且对于散射体的边缘、拐角、尖端或阴影区都不能应用.GTD近似条件类似但适当放宽以解决这些问题(散射体的边缘、拐角、尖端或阴影区等).GTD的基础是:广义费马原理 !绕射定律 !绕射线传播路径;绕射场沿该路径传播;局部性原理:绕射场取决于绕射点邻域内散射体的物理特性和几何特性;离开绕射点后绕射场仍然遵守几何光学定律,即眼直线传播而且在绕射线管内能量守恒,绕射场相位延迟等于媒质的传播常数与传播距离的乘积.基本思路:典型问题的严格解 !由局部性原理得到一般问题的局部解 !所有绕射场迭加得到总的绕射场.–典型问题的解的数量有限.限制应用范围;–复杂问题绕射点的确定比较困难,实际上其本身就已经是一个极值问题;–GTD在散焦区失效—已经被UTD、等效边缘流等方法克服.1.2电磁场的数值分析方法简介+使得复杂问题的求解成为可能+为理论分析、工程设计带来了变革 !新的方法、设计思想不断涌现+从数学理论上,各种方法之间由一定的内在联系,但工程应用中各有优缺点、互为补充 !没有最好的,只有对某一个问题最合适的;–也是一种近似方法,它的正确与否必须用实验或其他可靠结果验证;–不是万能的,单纯的数值方法往往计算量十分惊人,受计算机的承受能力、工作量、计算成本等方面的制约.即任何数值方法是否有效必须考虑计算量、设计成本、误差能否接受、结果是否稳定等;–物理意义不明.由分析结果进行设计时问题转化为一个计算量庞大的优化问题.有限差分法(FDM:Finite Difference Method)•最早出现在50年代中期:力学•利用差分原理将电磁场连续场域问题变换为离散系统问题求解,也就是用离散网格上的值逼近连续场分布•关键是场域和边界上偏微分方程的差分格式+直观、简单.对边值问题、初值问题中各类偏、常微分方程,椭圆、双曲、抛物型二阶线性方程以至高阶方程均可适用.–复杂边界形状处理困难,三维问题处理复杂、计算量大,开放区域吸收边界条件有限元法(FEM:Finite Element Method)•最早出现在1960年,R.W.Clough:力学•变分原理和剖分插值为基础,可以认为是有限差分法与变分法中Ritz法的结合.将场域划分为许多小区域,在每一个小区域上建立场元方程并用变分求泛函极值的方式建立网格上场元之间的关系,最后再联立成整个场域的线性代数方程.+适用于处理复杂边界、复杂媒质的情况+易于标准化处理,已有通用程序、软件+计算精度高–分割的单元数和节点数较多,导致问题的初始化复杂–代数方程阶数高,计算量大,计算成本高,尤其对三维问题–无限区域的处理比较困难,而且误差大.边界元法(BEM:Boundary Element Method)•70年代中期:力学,80年代移植到电磁场领域•是边界积分法和有限元法的结合•将内域场用边界积分表示为边界上的场,再在边界上离散化处理.+降维 !三维问题的边界是两维,成为两维问题,计算量大大减少–在场域中利用格林函数,因而不适用含有非均匀媒质的情况–对多种媒质的问题必须处理各媒质区域的边界,然后构成联立方程,比较复杂–所得代数方程的系数距阵不是稀疏距阵,因而所有元素都要用数值方式计算,增加了计算量矩量法(MoM:Moment of Method)•1968年R.F.Harrington提出.直接出现在电磁场领域•适用于各种类型的线性算子方程,算子可以是微分、积分、距阵以及他们的组合•将待求函数用一组基函数展开,再选择一组权函数对其进行加权内积,将算子方程化为代数方程求解•也是一种内域法(与FEM一样),因而计算量大•目前已经成为电磁场数值计算中使用最多、应用最广泛的一种方法谱域法(SDM:Spectral Domain Method)•1971年R.Mittra等提出,T.Itoh对此作了较大的贡献•SDM本质上是一种积分变换方法•时域信号—(傅立叶变换)—频域信号•空域电磁波—(傅立叶变换)—谱域电磁波(直角坐标的变换是平面波的迭加,圆柱坐标内的变换是柱面波的迭加)+降维,简化问题,尤其适合于处理多层媒质问题–谱域格林函数的求解–傅立叶反变换,即谱域积分,收敛慢.奇异点展开法(SEM:Singularity Extended Method)主要是描述天线及散射体的暂态特性,最早由Prony在1975年提出了奇点直接提取方法.其基本概念是将电磁场响应用复频率平面内的奇点来描述.如果用给定的瞬态波投射到目标上,则从目标上散射回来的瞬态波与原来的波形不同,称为响应波.他们之间存在转换函数关系,这个关系就表征了目标的固有特征.因此响应波可以用目标转换函数的极点位置和留数来描述 !目标不同,响应波不同,极点位置和留数也不同 !确定目标形状和性质 !用于目标识别.关键是极点提取,有Prony法、POF(Pencil of Function)法、Modified FFT法、相关矩阵等.以上介绍了几种数值方法,还有一大类或者趋势是组合方法,如:MM-GTD,BEM-FEM, MoM与格林函数的结合等.。

dtd R I Φ-=1，在从0=t 到t 时间内，通过电路的电量)(1110000Φ-Φ=Φ⋅=⋅Φ=⋅=⎰⎰⎰ΦΦR d R dt dt d R dt I q t t 可见，q 与)(0Φ-Φ成正比，而与磁通量改变快慢无关。

设0=t 时00=Φ，只要测出R 和q 、即可得到Φ；如果已知回路面积、就可以算出磁感应强度B 。

这就是磁通计原理。

§11. 2 动生电动势与感生电动势一、动生电动势 1.在磁场中运动的导线内的感应电动势 电动势的定义：电源的电动势定义为单位正电荷绕闭合回路运动一周时、电源中非静电力作的功。

即 ⎰⋅=l E k d εk E 为单位正电荷受的非静电力。

如果导线不闭合、则单位正电荷从导线一端a 运动到另一端b 时，非静电力k E 作的功就是导线a 、b 两端的电动势。

即⎰⋅=baab d l E k ε2、动生电动势： 当导线ab 在磁场B 中以速度v 运动时，导线ab 中的电子也以速度v 运动，磁场B 作用在上的电子洛伦兹力 B v f ⨯-=e而单位正电荷受的洛伦兹力B fE k ⨯=-=υe就是动生电动势中的非静电力。

所以，动生电动势⎰⋅⨯=baab )(l Bd υε。

当导线回路闭合时、回路中的动生电动势 ⎰⋅⨯=l B d )(υε。

这是动生电动势的一般表示式。

对此式要注意两个角度的关系： （1） υ与B 的夹角θ1； （2）（υ×B ）与dl 的夹角θ2。

如θ1=0（或π），或22πθ=，都会使得0=ε。

例11.1 在长直导线电流I 的附近有一长度为L 的共面导线ab 与长直导线垂直，a 端距长直导线为d 、ab 以平行于长直导线的速度v 向上运动。

求：ab 上的感应电动势。

解：在ab 上取d l 、与长直导线的距离为r ，该点的磁场 r2ΙμB π0= 所以d l 上的感应电动势 dr r2Iv πdr r 2I d d πμπυμυε00cos )(-==⋅⨯=l Bab 上的感应电动势 ⎰++==dL dab d dL πv I μ-dr r πIv μ-εln 2200 感应电动势ab ε为负值表示其方向从b 到a ，即a 点电势高。

习题11-1．已知质点位矢随时间变化的函数形式为(cos sin )r =R ωt i ωt j + 其中ω为常量．求：（1）质点的轨道；(2)速度和速率。

解：(1) 由(cos sin )r =R ωt i ωt j +，知：cos x R t ω= ，sin y R t ω=消去t 可得轨道方程：222x y R +=∴质点的轨道为圆心在（0，0）处，半径为R 的圆；（2）由d rv dt =，有速度：sin Rcos v R t i t j ωωωω=-+而v v =，有速率：1222[(sin )(cos )]v R t R t R ωωωωω=-+=。

1-2．已知质点位矢随时间变化的函数形式为24(32)r t i t j =++，式中r 的单位为m ，t 的单位为s 。

求：（1）质点的轨道；（2）从0=t 到1=t 秒的位移；（3）0=t 和1=t 秒两时刻的速度。

解：（1）由24(32)r t i t j =++，可知24x t = ，32y t =+消去t 得轨道方程为：x =2(3)y -，∴质点的轨道为抛物线。

（2）由d rv dt =，有速度：82v t i j =+从0=t 到1=t 秒的位移为：11(82)42r v d t t i j d t i j ∆==+=+⎰⎰（3）0=t 和1=t 秒两时刻的速度为：(0)2v j =，(1)82v i j =+ 。

1-3．已知质点位矢随时间变化的函数形式为22r t i t j =+，式中r 的单位为m ，t 的单位为s .求：（1）任一时刻的速度和加速度；（2）任一时刻的切向加速度和法向加速度。

解：(1)由d r v dt =，有：22v t i j =+，d va dt =，有：2a i =；（2）而v v =，有速率：12222[(2)2]21v t t =+=+∴t dv a dt==，利用222t n a a a =+有： n a ==1-4．一升降机以加速度a 上升，在上升过程中有一螺钉从天花板上松落，升降机的天花板与底板相距为d ，求螺钉从天花板落到底板上所需的时间。

第8章变化的电磁场一、选择题1.若用条形磁铁竖直插入木质圆坏，则在坏中是否产生感应电流和感应电动势的判断](A)产生感应电动势，也产生感应电流(B)产生感应电动势，不产生感应电流(C)不产生感应电动势，也不产生感应电流(D)不产生感应电动势,产生感应电流T 8-1-1 图2.关于电磁感应，下列说法中正确的是[](A)变化着的电场所产生的磁场一定随吋间而变化(B)变化着的磁场所产生的电场一定随时间而变化(C)有电流就有磁场，没有电流就一定没有磁场(D)变化着的电场所产牛:的磁场不一定随时间而变化3.在有磁场变化着的空间内，如果没有导体存在，则该空间[](A)既无感应电场又无感应电流(B)既无感应电场又无感应电动势(C)有感应电场和感应电动势(D)有感应电场无感应电动势4.在有磁场变化着的空间里没有实体物质，则此空间屮没有[](A)电场(B)电力(C)感生电动势(D)感生电流5.两根相同的磁铁分别用相同的速度同时插进两个尺寸完全相同的木环和铜环内，在同一时刻，通过两环包闱面积的磁通量[](A)相同(B)不相同，铜环的磁通量大于木环的磁通量(C)不相同，木环的磁通量大于铜环的磁通量(D)因为木环内无磁通量，不好进行比佼_6.半径为G的圆线圈置于磁感应强度为一B的均匀磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，线圈电阻为几当把线圈转动使其法向与〃的夹角曰=6(?时，线圈中通过的电量与线圈面积及转动的时间的关系是](A)与线圈面积成反比，与时间无关(B)与线圈面积成反比，与时间成正比(C)与线圈面积成正比，与时间无关(D)与线圈面积成正比，与时间成正比7.一个半径为r的圆线圈置于均匀磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，线圈电阻为R・当线圈转过30。

时，以下各量中，与线圈转动快慢无关的量是[](A)线圈中的感应电动势(B)线圈中的感应电流(C)通过线圈的感应电量(D)线圈回路上的感应电场& 一闭合圆形线圈放在均匀磁场中，线圈平面的法线与磁场成30。