第9章 电磁感应和电磁场思考习题(1)
第9章 电磁感应和电磁场
教学目的要求
1. 理解电磁感应现象的实质,掌握楞次定律和法拉第电磁感应定律,并能用其计算感应电动势与感应电荷;
2. 掌握动生电动势的概念及计算,理解感生电动势与感生电场;
3. 理解互感、自感的概念及其分析,理解磁场的能量与场的物质性;
4. 理解位移电流与全电流安培环路定理,了解麦克斯韦方程组的积分与微分形式,了解电磁波的产生及其基本性质,了解电磁波谱;
5. 了解暂态过程与暂态电路的基本特点.
本章内容提要
⒈ 电磁感应的两个重要定律
① 楞次定律 闭合回路中,感应电流的方向总是使它自身所产生的磁通量,去补偿或者反抗引起感应电流的磁通量的变化.
② 法拉第电磁感应定律
d d i Ψ
t
ε=-
⒉ 几个基本概念
① 动生电动势
()k d d B B
AB A
A
ε=?=????E l υB l
② 感生电场
?
?
???-=?S t
S B
l E L
d d k ③ 感生电动势 k d i ε=
??
L
E l
④ 自感
ΨLI =
自感电动势 d d L I L t
ε=- ⑤ 互感
21211ΨM I = 12122
ΨM I = M M M ==2112
互感电动势 t
I M
t
I
M d d d d 2
121
21-=-=εε
⑥ 磁场的能量密度
H B ?=
2
1
m w ⑦ 位移电流
d d d d I t
?=?=????
D
J S S ⒊ 全电流的安培环路定理
磁场强度H 沿任意闭合回路的线积分等于穿过此闭合回路所包围曲面的全电流
?
????+=+=?S D
l H d d d t
I I I L
⒋ 麦克斯韦方程组
积分形式
d d d d 0d d d d S
V
S L S L
q V
t I I I t ρ??=∑=???=??
??
?=-????
???=+=+???????????S D S B S B B l S D H l S
思考题答题要点
9-1 感应电动势的大小由什么因素决定?
答:感应电动势的大小由磁通量对时间的变化率决定. 9-2 在电磁感应定律d d i Ψ
t
ε=-中,负号的意义是什么?如何根据负号来确定感应电动势的方向?
答:负号的意义是感应电动势方向总是对磁通量的变化起阻碍作用,是楞次定律的表示,其实质是能量守恒定律.用电磁感应定律的“负号”表示电动势的方向时,必须先标定两个参考方向:回路绕行方向和回路包围面积的正法线方向,且规定二者的关系服从右手螺旋定则.这样,当穿过回路的磁感线方向与面法线的方向所成夹角小于90°时,磁通量为正;大于90°时,磁通量为负.当感应电动势大于零时,表示电动势的方向和回路的绕行方向相同,当感应电动势小于零时,表示电动势的方向和回路的绕行方向相反.
9-3 将尺寸完全相同的铜环和木环适当放置,使通过两环中的磁通量的变化率相等.问在两环中是否产生相同的感应电场和感应电流?
答:产生相同的感应电场,感应电动势相同,但木环内没有感应电流.
9-4 一条形磁铁在空中竖直下落,途中穿过一闭合金属环,环中会因此产生感应电流,试分析在此过程中磁铁受力情况和加速度的变化.
答:由楞次定律可知环中感应电流所产生的磁场会阻碍条形磁铁磁场的改变,表现为阻力,所以加速度小于重力加速度g.
9-5 试讨论动生电动势与感生电动势的共同点和不同点.
答:前者是导体回路或其一部分在磁场中运动,使其回路面积或回路的法线与磁感应强度
B 的夹角随时间变化,从而使回路中的磁通量发生变化;后者是回路不动,磁感强度随时间变
化,从而使通过回路的磁通量发生变化.共同点是通过回路的磁通量随时间变化.
9-6 在磁场变化的空间里,如果没有导体,那么在这个空间里是否存在电场?是否存在感应电动势?
答:这个空间里存在电场,存在感应电动势.
9-7 变化电场产生的磁场是否一定随时间变化?变化磁场产生的电场是否也一定随时间变化?
答:都不一定.随时间线性变化的电(磁)场产生稳恒的磁(电)场. 9-8 一块金属在均匀磁场中平移,金属中是否会有涡流?若旋转呢? 答:平移时磁通量不变,没有涡流.旋转时如果磁通量变化,则有涡流.
9-9 有人说:“因为自感系数m /L ΦI =,所以通过线圈中的电流强度愈大,自感系数愈小.”这种说法对吗?
答:不对.自感L 与回路的形状、大小、位置、匝数以及周围磁介质及其分布有关,而与回路中的电流无关.
9-10 一个线圈自感的大小由哪些因素决定?怎样绕制一个自感为零的线圈?
答:线圈自感由单位长度的匝数、线圈体积和加入的磁介质决定.缠绕线圈时一半正绕、一半反向缠绕可以绕制一个自感为零的线圈.
9-11 两个线圈之间的互感大小由哪些因素决定?怎样放置可使两线圈间的互感最大? 答:两个线圈之间的互感大小是由两线圈的形状、大小、匝数、周围磁介质的特性以及它们之间的相对位置决定.相互靠近排成一列放置时互感最大.
9-12 说明位移电流和传导电流的不同含义.
答:传导电流是大量自由电荷的宏观定向运动,位移电流的实质却是关于电场的变化率而与电荷的定向移动无关;传导电流通过电阻时会产生焦耳热,而位移电流没有热效应;传导电流主要存在于导体中,而位移电流可存在于真空、导体和介质中.
9-13 你能举出证明麦克斯韦的两个基本假设是正确的事实吗?
答:电磁感应现象证明“感生电场”正确;而电容器的充放电可证明“位移电流”正确. 9-14 将一磁铁插入一个由导线组成的闭合电路线圈中,一次迅速插入,另一次缓慢地插入.试问:
(1)两次插入时在线圈中的感应电荷量是否相同? (2)两次手推磁铁的力所做的功是否相同?
(3)若将磁铁插入一不闭合的金属环中,在环中将发生什么变化? 答:(1)相同;(2)不同;(3)磁铁不会受到阻碍. 9-15 如思考题9-15用图所示,当导体棒在均匀磁场中运动时,棒中出现稳定的电场E B υ=,这是否和导体中0E =的静电平衡条件相矛盾?为什么?是否需要外力来维持棒在磁场中作匀速运动?
答:不矛盾.导体在静电平衡状态下电场强度等于零,而导体棒运动时,由于电子受到洛伦兹力而运动,从而在棒两端形成电荷的聚集,产生稳定的电场,电场力和洛伦兹力相等;导体棒在磁场中作匀速运动需要外力维持以克服安培
力.
9-16 熔化金属的一种方法是用“高频炉”.它的主要部件是一个铜制线圈,线圈中有一坩埚,将待熔的金属块置于锅内.当线圈中通以高频交流电时,锅内金属就可以被熔化.这是什么缘故?
思考题9-15用图
答:当线圈中通以高频交流电时,处于锅中的金属内部由于电磁感应会产生涡电流,涡电流具有的热效应可以将锅中的金属熔化.
9-17 试说明:
(1)当线圈中的电流增加时,自感电动势的方向和电流的方向相同还是相反; (2)当线圈中的电流减小时,自感电动势的方向和电流的方向相同还是相反.为什么? 答:(1)相反;(2)相同. 根据愣次定律可知,这两种情况下产生的自感电动势都将阻止引起感应电动势的原因,由此可以得出相应结果.
9-18 如思考题9-18用图所示,弹簧上端固定,下端悬挂一根磁铁,将磁铁抬到某一高度后放开,则磁铁将上、下振动较长时间才停下来.如果在磁铁下端放一固定的闭合线圈,使磁铁上、下振动时穿过它,则磁铁就会很快地停下来.试解释这个现象,并说明此现象中能量转化的情况.
答:磁铁经过线圈时,会产生感应电流,电流会阻碍磁铁的运动.因此,当磁铁上、下振动时,由于这种阻碍效应,所以磁铁很快会停下来.这一过程中,振动能量会转化为感应电流的电能,其后又会转化为焦耳热能.
9-19 变压器的铁心为什么总做成片状的,而且涂上绝缘漆相互隔开?铁片放置的方向应和线圈中磁场的方向有什么关系?
答:变压器的铁心总做成片状的,而且涂上绝缘漆相互隔开,其目的是防治形成大的涡流;铁片放置的方向应和线圈中磁场的方向垂直.
习题参考解答
9-1 一横截面积为S =20 cm 2的空心螺绕环,每厘米长度上绕有50匝,环外绕有N = 5匝的副线圈,副线圈与电流计G 串联,构成一个电阻为R =2.0 Ω的闭合回路.若螺绕环中的电流每秒减少20 A ,求副线圈中的感应电动势和感应电流.
解:线圈环绕密度
50/0.01/m 5000/m n ==匝匝
螺线管中磁感应强度
nI B 0μ=
副线圈中的全磁通
0NBS N nIS ψμ==
由法拉第电磁感应定律得知感应电动势的大小
0743d d d d 54π105000201020V 1.25710V
i I
N nS
t t
ψεμ---=
==??????≈? 感应电流
A 1028.64-?≈=
R
I ε
9-2 如习题9-2用图所示,一很长的直导线有交变电流t i ωsin 10=,它旁有一长方形线圈ABCD ,长为l ,宽为()a b -,线圈和导线在一平面内.求:
⑴ 穿过回路ABCD 的磁通量m Φ; ⑵ 回路ABCD 的感应电动势i ε.
思考题9-18用图
解:(1) 导线周围的磁感应强度
02πi
B r
μ=
穿过线圈ABCD 的磁通量
00m 5d d ln sin 2ππb
b
a
a
i
l b Bl r l r t r
a μμΦω??
===
???
??
(2) 回路ABCD 的感应电动势
0m
5d ln cos d πi l b t t a μωΦεω??=-
=- ???
9-3 一长直导线载有5.0 A 直流电流,旁边有一个与它共面的矩
形线圈,长l =20 cm ,如习题9-3用图所示,a =10 cm ,b =20 cm ;
线圈共有N =1 000匝,以 3.0m/s υ=的速度离开直导线.求线圈里的感应电动势的大小和方向.
解:导线周围的磁感应强度
02πI
B r
μ=
AB 、CD 段线圈运动过程中并不产生感应电动势,AD 、BC 段线圈切割磁力线产生动生电动势.AD 段线圈产生的感应电动势
02πAD I
NBl N
l a
μευυ==
BC 段线圈产生的感应电动势
02πBC I
NBl N
l b
μευυ==
两者方向相反,总的感应电动势
07
3
112π4π10 5.01110000.2 3.0V 4.510V
2π0.10.2i AD BC I
N
l a b μεεευ--??=-=- ???
????=?
???-=? ???
由楞次定律知感应电动势方向为逆时针方向.
9-4 如习题9-4用图所示,两平行金属导轨有一滑动金属杆EF ,EF 段的电阻为R ,导轨两端的电阻为1R 、2R ,均匀磁场B 垂直通过导轨所在的平面,若EF 的运动速率为υ,求金属杆的电流EF I (略去导轨电阻、磨擦、回路自感).
解:EF 段的动生电动势
i Bl ευ=
整个回路的电阻
2
12
1R R R R R R ++
=总
金属杆的电流
()121212
i
EF Bl R R I R RR RR R R υε+=
=
++总
习题9-2用图
习题9-3用图
习题9-4用图
9-5 一螺绕环横截面的半径为a ,中心线的半径为R (R >> a ),其上由表面绝缘的导线均匀地密绕两个线圈,各为N 1匝和N 2匝,求两线圈的互感M .
解:在线圈1中通以电流I ,产生的磁场
1
010
2πN B n I I R
μμ==. 线圈2的全磁通
22
1201220π2π2N N a I N N BS N I a R R
μψμ===
互感
2
1202N N a M I R
μψ
==
9-6 设一螺线管长m 5.0=l ,线圈的面积为2
cm 10=S ,总匝数为3000=N ,试求这一
螺线管的自感系数值(线圈内是空气).
解:假设螺线管通以电流I ,产生的磁场
l
NI
nI B 00μμ=
=
全磁通
20N I
NBS S l
μψ==
自感系数
9-7 在长为m 2.0、直径为cm 5.0的硬纸筒上,需绕多少匝线圈,才能使绕成的螺线管的自感系数约为H 100.23
-?.
解:设线圈为N 匝,N N n 52.0/==.假设线圈通以电流I ,则 磁场 nI B 0μ=
全磁通 2
05NBS N IS ψμ==.
截面积 ()2
2
ππ0.005/2S r ==.
自感 23
0/5 2.010L I N S ψμ-===?
解之得 4026=N 匝
9-8 两共轴螺线管,长0.1=l m ,截面积10=S cm 2,匝数10001=N ,2002=N .计算这两线圈的互感.若线圈1内的电流变化率为A/s 10,求线圈2内的感应电动势的大小(设管内充满空气)?
解:设线圈1内电流为1I ,磁场
l
I N nI B 1
1010μμ=
=.
线圈2的全磁通
01212N N I S
N BS l
μψ==
互感
7440121
4π1010002001010H 2.510H 1.0
N N S
M I l μψ
---?????=
=
=≈?
若线圈1内的电流变化率为A/s 10,求线圈2内的感应电动势的大小
431
21d 2.51010V 2.510V d I M
t
ε--==??=? 9-9 在半径为R 的长直螺线管的中段内,磁场沿轴向均匀分布,磁感强度B 的大小以恒定的变化率t B d /d 增加着,求距离中心O 为r ()R r > 处的涡旋电场场强大小.
解:由感生电场 2
d 2ππd k B rE R t = 得 t
B
r R E k d d 22=
9-10 半径为R 的圆形平行平板电容器,电荷t q q ωsin 0=均匀分布在极板上,略去边缘
效应,求两板间的位移电流密度和位移电流.
解:电位移矢量的大小
02
sin πq t q D S R ω=
= 位移电流密度
02
d cos d πd q D J t t R ωω=
= 位移电流
0cos d d I J S q t ωω==
9-11在一个物理实验中,有一个200匝的线圈,线圈面积为12 cm 2,在0.04 s 内线圈平面从垂直于磁场方向旋至平行于磁场方向.假定磁感应强度为6×103 T ,求线圈中产生的平均感应电动势.
解:在这段时间内磁通量的变化量为
43m 2001210610Wb 1440Wb NBS Φ-?==????=
由法拉第电磁感应定律得
4m m d 1440
V 3.610V d 0.04
i t t ΦΦε?=
=-=-=-?? 9-12 如习题9-12用图所示,一均匀磁场的磁感线与矩形回路所围面积的法线n e 间夹角
π/3θ=.已知磁感应强度随时间线性增加,即
kt B = (0k >)
回路的AB 边长为l ,以速度υ向右运动.设0t =时,AB 边在0x =处,试求任意时刻回路中感
应电动势的大小和方向.
解:由习题9-12用图可知,通过闭合矩形回路的磁通量为
m cos cos cos BS ktS ktlx Φθθθ===
由法拉第电磁感应定律可得回路中感应电动势的大小为
m d d d (cos )cos cos d d d cos cos 2cos i x
ktlx klx ktl t t t klx ktl kl t Φεθθθθθυυθ=-
=-=+=+= 将π/3θ=代入上式,得
t kl i υε=
习题9-12用图
由楞次定律可知感应电动势方向由A 指向B .
9-13 在一个交流发电机中,有一个150匝环形线圈,线圈半径为2.5 cm ,置于磁感应强度为0.06 T 均匀磁场中,线圈的转速为110 r/min.求线圈中产生的最大感应电动势.
解:线圈的转速110
110r/min r/s 60
n ==
,则线圈转动的角频率为 11π
2π3
n ω== rad/s 根据电磁感应原理可知交流发电机的电动势公式为
sin()i NSB t εωω=
因此线圈中产生的最大感应电动势为
22max 11
π150 3.14(0.025)0.06π3
NSB N r B εωω===????
V 2.0= V 9-14 一个800匝/米的螺线管,在其中心放置一个绕有30匝线圈、半径为1cm 的圆形回路,该回路与螺线管共轴.在1/100 s 时间内,螺线管中产生5A 的电流,试求回路中产生的感应电动势大小.
解:已知螺线管中心处的磁感应强度为0B nI μ=,故通过圆形回路的磁通量为
2m 0πBS nI R Φμ==
由此可知回路中感应电动势的大小为
2
m 0722d d πd d 41080030 3.14(0.01)500V
i I
N
nN R t t
Φεμ-===?????? 34.7310-≈? V
9-15 半径为2 cm 的螺线管,长30 cm ,上面均匀密绕1 200匝线圈,线圈内为空气. (1)求这螺线管中自感多大? (2)如果在螺线管中电流以3×102 A/s 的速率改变,在线圈中产生的自感电动势多大?
解:(1) 22
2
22πN r L n V Sl N l l
μμμ===
22
7
2
3π(210)4π101200H 0.3
7.5710H
---??=???≈?
(2)
32d 7.5710310V 2.27V d i I
L
t
ε-==???≈ 9-16一螺绕环横截面半径为r ,中心线半径为R ,R r ,其上由表面绝缘的导线均匀地
密绕两组线圈,一个有N 1匝,另一个有N 2匝.试求:
(1)两个线圈的自感L 1和L 2; (2)两个线圈的互感M ; (3)M 与 L 1和L 2的关系.
解:由题意知,螺绕环内的磁场可视为均匀磁场,设线圈1内通以电流1I
(1)线圈1内磁感应强度为 1
1012πN B I R
μ= 磁通量为 22
011m111π2πN I N B S r R
μΦ==
故线圈1的自感为 22
01m1112N r L I R
μΦ==
同理可得线圈2的自感为 22
0222N r L R
μ=
(2)可认为线圈1中产生磁场全部通过线圈2,它在线圈2中产生磁通量为
20121
m 21π2πN N I r R μΦ=
由此得两线圈的互感为 2
2102r R
N N M μ=
(3) 由上述两问的结果可知
21L L M =
9-17 一长直螺线管的导线中通入10 A 的恒定电流时,通过每匝线圈的磁通量为20 μWb ;而当电流以4 A/s 的速率变化时,产生的自感电动势为3.2 mV .试求此螺线管的自感系数与总匝数.
解:∵自感电动势大小为 d d L I L t ε= ∴螺线管的自感系数 3
3.210d /d 4
L L I t ε-?== H 8.0= mH
又∵单位长度的螺线管,其自感系数为
22
22N S L n V Sl N l l
μμμ===
∴螺线管的总匝数为: 4
6
m 810402010
L N Φ--?===? 9-18 一圆环形线圈a 由50匝细线绕成,截面积为4 cm 2,放在另一个匝数等于100匝,半径为20 cm 的圆环形线圈b 的中心,两线圈同轴.求:
(1)两线圈的互感系数;
(2)当线圈a 中的电流以50A/s 的变化率减少时,线圈b 内磁通量的变化率; (3)线圈b 的感生电动势. 解:(1)设有电流b I 通过线圈b ,匝数为b N ,半径为R ,则线在其中心处的磁感应强度为
02b
o b
I B N R
μ=
因为a 是置于线圈b 的中心,则通过a 的磁场可认为是均匀的,所以通过a 的磁通为
0m 02b
a b
I ΦB S N S R
μ==
磁链数为:0m 2b
a a a a
b I N ΦN N S R
μψ==
则由互感定义得
74624π1050100410H 20.2
6.2810H
a
a b
b
M N N S
I R
ψμ---=
=?????=?≈?
(2)因为 b a MI ψ=,则
64d d 6.2810(50)Wb/s 3.1410Wb/s d d b a I
M t t
ψ--==??-=-? (3)由法拉第电磁感应定律得
4d 3.1410V d b
b t
ψε-=-
=? 9-19实验室中一般可获得的强磁场约为2T ,强电场约为106V/m .试求相应的磁场能量密度和电场能量密度,并分析哪种场更有利于储存能量?
解:分析不难得知,磁场能量密度为
22m 702224π10
B ωμ-==?? J/m 371102π=? J/m 3 电场能量密度为
2
1260e 0.58.8510(10)2
E εω-=
=??? J/m 3425.4= J/m 3
显然,磁场能量密度较电场能量密度大得多,更有利于储存能量.
9-20 有一长直密绕螺线管,长度为l ,横截面积为S ,线圈的总匝数为N ,管中的磁导率为 μ .试求其自感.
解: ∵ 由安培环路定理知: N
B I l
μ
= m1N
BS IS
Φμ
==
2
m1
N N IS l
ψΦμ==
习题9-21用图
∴ 2
N L S I l
ψ
μ== . 9-21 如习题9-21用图所示,金属杆A B 以匀速率υ = 2.0 m/s 平行于一长直导线运动,此
导线通有电流I = 40 A .试求杆中的动生电动势,并指出哪端电势高?
解: ∵ AB ()d i ε=
???B l υ ,02πI
B r
μ=
,
∴ B
1.100A
0.1
1.1d d ln
2π2π
0.1
i I
I B l l l
μμυ
ευυ
=-=-=-
??
754π1040 2.0ln11V 3.8410V 2π
--???=-≈-?
方向为 B → A ,故 A 端电势高.
9-22 一长直铁心上密绕线圈100匝,已知铁心中磁通量与时间的关系为Фm = 8.0×10-5sin(100πt ) Wb,试求在t = 1.0×10-2 s 时,该线圈中的感应电动势.
解:∵ Фm = 8.0×10-5sin(100πt )
()()5m
d 1008.010100πcos 100πV 2.51cos 100πV d i N
t t t
Φε-=-=-???≈- ∴ 当 2
1.010s t -=? 时,有
2.51V i ε≈
9-23 在圆形的匀强磁场中同轴地放一个半径为a ,厚度为b 的金属圆盘,如习题16-30用图.今使磁场随时间变化d B/d t = k . k 为一常数.已知金属圆盘的电导率为γ .试求:金属盘内的总的涡电流.
解:∵
d d l
S
B
t
??-???
?
感E l =S ,即 22ππE r k r ?=-感 1
2E kr =-感
∴ 12kr τ=-感E e (τe 为切向单位矢量),1
2kr τγγ=-感J =E e
∴ 20
11d d 24a
S I kr b r kba γγ=?=?=??J S 9-24 在习题9-24用图中实线右方的所有区域内存在磁感应强度为B 且垂直于纸面、方向
向里的均匀磁场.一个电阻为R 、质量为m 、宽为a 的窄长矩形回路,从所画的静止位置开始受恒力F 的作用,在矩形回路左边框未进入磁场前,
(1)矩形回路会作怎样的运动?
(2)矩形回路运动的最大速度能达到多少?
(3)推导出矩形回路的速度随时间的函数关系式. 解:∵ f IBa = ,i
I R
ε=
,m
d d i t
Φε=-
m 0
d d x S
Ba x Bax Φ=?==??B S
∴d d i x
Ba
Ba t
ευ=-=- ,
22B a f R υ=-
习题9-24用图
习题9-23用图
而 d d m t
F +f =υ
,故 22d d B a F m R t υυ-= ① (1)矩形回路开始作加速运动;但当速度达到某一定值时,磁场力与外力平衡,矩形回路
再作匀速运动.
(2)当υ = 常量,即
d 0d t υ=时,有最大速度 max 22FR B a υ= . (3)由式①得 22
0d d t
t F B a m mR
υυ
υ=-?? ,即 2222ln ln F B a F B a t m mR m mR υ??--=- ??? ∴ 22221B a t mR
FR e B a υ-??=- ? ???
9-25 一光滑平行导轨上放一质量为m 的金属杆AB ,如习题9-25用图所示,金属杆长为
L ,导轨的一端与电阻R 相连,其它部分的电阻略去不计,整个装置放在均匀磁场中,磁场方向与导轨平面垂直(导轨平面是水平的),当金属杆以初速度υo 向右运动时,试求金属杆能移动的距离.
解:∵ F BIL =- ,i
I R
ε= ,i BL ευ= ,∴ 22B L F R υ
=-
而 d d F m a m
x
υ
υ== ,∴ 22d d B L m R x υυυ-= , 00
220d d x mR
x B L
υυ=-??
故 022mR
x B L
υ=
9-26 一个半径为a 的小线圈,起初和一个半径为b ( b >> a )的大线圈共面并同心(如习题用图所示).大线圈通入一恒定电流I ,并保持不动,而小线圈以角速度ω绕其直径转动(小线圈电阻为R ,电感L 略去不计).求: (1)小线圈中感应电流.
(2)两线圈间的互感系数及大线圈中产生的感应电动势.
解:(1)∵ 02I
B b μ=
,20m cos πcos 2I
BS a t b
μΦθω==
2
0m d πsin d 2i I a t t b μΦεωω=-= ∴2
01πsin 2i I I a t R bR
εμωω==
(2) 20
m
πcos 2M a t I
I b
μΦψ
ω=
=
=
222
00112d πcos πcos d 22I I M a t a t t b bR
μμεωωω=-=-?
2
20πcos 4I a t R b μωω??=- ???
习题9-25用图
习题9-26用图
9-27 在B = B o x e at k (k 为z 轴的单位矢量)的磁场中有一弯成α角的金属导轨AOC ,长导线MN 以等速υ在此导轨上滑动.若υ的方向与OC 平行而垂直于MN ,磁场方向如习题9-42用图所示,t = 0时 MN 处于O 点,求:t 时刻回路的感应电动势ε的大小及其方向.
解:∵m
d d i t Φε=-,m d S
Φ=??B S ,而B = B o x e at k ,d d tan d S y x x x α==
即233m 00000
1tan d tan d tan 3t t
at
at
at
B xe x x B e x x B t e υυΦαααυ=
==??? ∴ ()3201tan 33
at
i B at t e εαυ=-?+ ,方向为:M→N .
9-28 一导线被弯成习题9-43用图所示的形状(其中cd 是半径为r = 0.10 m 的半圆,ac 、ab 两端长度均为l = 0.10 m ),在均匀磁场(B 为0.50 T )中绕轴线ab 转动,转速n = 60 r/s .设电路中的总电阻(包括电表G 的内阻)为1 000 Ω,求导线中的感应电动势和感应电流,它们的最大值各是多少?
解:(1)∵2πt nt θω==,2m 1
cos πcos 2π2
BS Br nt Φθ== 222m d 1
π2πs i n 2ππs i n 2πd 2
i Br n nt Bn r nt t Φε=-
=?= 220.560 3.140.10sin 2π60V 2.96sin120πV t t =????≈
32.9610sin120πA i
i I t R
ε-=≈?
(2) max
2.96V i ε≈ ,3max 2.9610A i I -≈?
9-29 长为a 的金属棒OA 相对于均匀磁场B 的方位角为θ,棒以角速度ω绕通过棒的一端O 且与磁场方向平行的轴转动,如习题9-29用图所示.求:
(1)金属棒上的电动势ε;
(2)A 点与O 点上电势的高低及电势差V A – V O .
解:(1)dl vB l d B v a
l )90cos(90sin )(0
i θε-??=??=??
微元l d
的速度大小 θωωs i n l r v ==
所以金属棒上的电动势为:
θω?ωε220
2sin 2
1
sin Ba ldl B a
==?
(2)A 点上电势高,O 点上电势低; θωε22s i n 2
1Ba V V o A ==-
习题9-29用图
习题9-28用图
习题9-27用图
电磁场理论习题及答案7.
习题: 1. 在3z m =的平面内,长度0.5l m =的导线沿x 轴方向排列。当该导线以速度 24x y m v e e s =+在磁感应强度22363x y z B e x z e e xz T =+-的磁场中移动时,求 感应电动势。 解:给定的磁场为恒定磁场,故导线中的感应电动势只能是导线在恒定磁场中移动时由洛仑兹力产生的。有 ()in v B dl ε=??? 根据已知条件,得 2233()|(24)(363)|z x y x y z z v B e e e x z e e xz ==?=+?+- 210854(1236)x y z e x e x e x =-++- x dl e dx = 故感应电动势为 0.5 20[10854(1236)]13.5in x y z x e x e x e x e dx V ε=-++-?=-? 2.长度为l 的细导体棒位于xy 平面内,其一端固定在坐标原点。当其在恒定磁场 0z B e B =中以角速度ω旋转时,求导体棒中的感应电动势。 解:导体中的感应电动势是由洛仑兹力产生的,即 ()in v b dl ε=??? 根据已知条件,导体棒上任意半径r 处的速度为 v e r ωΦ= r dl e dr = 故感应电动势为 20000 1()()2 l l L in z r v b dl e r e B e dr B rdr B l V εωωωΦ=??=??==??? 3.试推出在线性、无耗、各向同性的非均匀媒质中的麦克斯韦方程。 解:考察麦克斯韦方程中的参量,利用它们与电场强度E 和磁感应强度B 的
关系,将,,H B D E J E μεσ===代入即可,注意在非均匀媒质中,,μεσ是空间坐标的函数。 考察麦克斯韦第一方程,有 11 ()B H B B μ μμ ??=?? =??+?? 2 1 1 B B μμ μ =- ??+?? D E J J t t ε ??=+=+?? 所以 E B B J t μμμε μ ?????=++ ? 而 ()D E E E εεερ??=??=??+??=,于是,微分形式的麦克斯韦方程用E 和B 表示为 E B B J t μμμε μ ?????=++ ? B E t ???=- ? 0B ??= E E εερ??+??= 对于无耗媒质,0σ=,因此有0J =。 4.试由麦克斯韦方程推导出电流连续性方程J t ρ???=-?。 解:对麦克斯韦第一方程D H J t ???=+ ?两边取散度,得
电磁场与电磁波第二章课后答案
第二章 静电场 重点和难点 电场强度及电场线等概念容易接受,重点讲解如何由物理学中积分形式的静电场方程导出微分形式的静电场方程,即散度方程和旋度方程,并强调微分形式的场方程描述的是静电场的微分特性或称为点特性。 利用亥姆霍兹定理,直接导出真空中电场强度与电荷之间的关系。通过书中列举的4个例子,总结归纳出根据电荷分布计算电场强度的三种方法。 至于媒质的介电特性,应着重说明均匀和非均匀、线性与非线性、各向同性与各向异性等概念。讲解介质中静电场方程时,应强调电通密度仅与自由电荷有关。介绍边界条件时,应说明仅可依据积分形式的静电场方程,由于边界上场量不连续,因而微分形式的场方程不成立。 关于静电场的能量与力,应总结出计算能量的三种方法,指出电场能量不符合迭加原理。介绍利用虚位移的概念计算电场力,常电荷系统和常电位系统,以及广义力和广义坐标等概念。至于电容和部分电容一节可以从简。 重要公式 真空中静电场方程: 积分形式: ? = ?S S E 0 d εq ?=?l l E 0d 微分形式: ερ= ??E 0=??E 已知电荷分布求解电场强度: 1, )()(r r E ?-?=; ? ' '-'= V V d ) (41)(| r r |r r ρπε? 2, ? '''-'-'=V V 3 d |4) )(()(|r r r r r r E περ 3, ? = ?S S E 0 d εq 高斯定律
介质中静电场方程: 积分形式: q S =?? d S D ?=?l l E 0d 微分形式: ρ=??D 0=??E 线性均匀各向同性介质中静电场方程: 积分形式: ε q S = ?? d S E ?=?l l E 0d 微分形式: ε ρ= ??E 0=??E 静电场边界条件: 1, t t E E 21=。对于两种各向同性的线性介质,则 2 21 1εεt t D D = 2, s n n D D ρ=-12。在两种介质形成的边界上,则 n n D D 21= 对于两种各向同性的线性介质,则 n n E E 2211εε= 3,介质与导体的边界条件: 0=?E e n ; S n D e ρ=? 若导体周围是各向同性的线性介质,则 ε ρS n E = ; ε ρ? S n -=?? 静电场的能量:
最新电磁场与微波技术(第2版)黄玉兰-习题答案资料
第一章 1.3 证: 941(6)(6)50=0 A B A B A B A B =?+?-+-?=∴?∴和相互垂直和相互平行 1.11 (1) 2 222 0.5 0.50.5 2222 0.5 0.5 0.5 2272(2)(2272)1 24 s Ax Ay Az A divA x y z x x y x y z Ad s Ad dz dy x x y x y z dz ττ---????==++ ???=++=?=++=??? ??由高斯散度定理有
1.18 (1) 因为闭合路径在xoy 平面内, 故有: 222()()8(2) (22)()2()8 x y z x y x z x s A dl e x e x e y z e dx e dy xdx x dy A dl S XOY A ds e yz e x e dxdy xdxdy A ds → →→ → ?=+++=+∴?=??=+=??=∴??因为在面内, 所以,定理成立。 1.21 (1) 由梯度公式
(2,1,3) |410410x y z x y z x y z u u u u e e e x y z e e e e e e ????=++???=++=++1 方向:() (2) 最小值为0, 与梯度垂直 1.26 证明 00u A ???=??= 书上p10 1.25 第二章 2.1
3343 sin 3sin 4q a V e wr qwr J V e a ρρ ρπθ θ ρπ= ==?= 2.3
'' 2 2' 3 222 , 40 = l l l dl d R Er R ez z ea a ez z ea a Er r z P ez z ea a E d z a ea π ρρα? ρα? πε = ==- - == - = + ? 用圆柱坐标系进行求解 场点坐标为P(0,0,z).线电荷元 可以视为点电荷,其到场点的距离矢量 得 所以点的电场强度为 () 2 ''' 3 222 cos sin0 20 l z ex ey ea d z E e z a π ??? ρα ε +∴= ∴= + ? () 2.8
电磁场复习题
《电磁场与电磁波基础》复习题 一、 填空题: (第一章)(第二章)(第三章)(第四章)(第五章)(第六章) (第一章) 1、直角坐标系下,微分线元表达式 z e y e x e l z y x d d d d ++= 面积元表达式 2、圆柱坐标系下,微分线元表达式z e e e l z d d d d ++=φρρφρ, 面积元表达式z e l l e S z d d d d d φρρφρρ == z e l l e S z d d d d d ρφρφφ ==φρρφρd d d d d z z z e l l e S == 3、圆柱坐标系中,ρe 、e ? 随变量? 的变化关系分别是φρφ e e =??,ρφφe -e =?? 4、矢量的通量物理含义是 矢量穿过曲面的矢量线的总和; 散度的物理意义是 矢量场中任意一点处通量对体积的变化率; 散度与通量的关系是 散度一个单位体积内通过的通量。 5、散度在直角坐标系 F z F y F x F V S d F F div Z Y X S V ??=??+??+??=??=?→?0lim 散度在圆柱坐标系 z F F F F div Z ??+??+??=φρρρρφρ1)(1 6、矢量微分算符(哈密顿算符)?在直角坐标系的表达式为 z z y y x x e e e ??+??+??=? 圆柱坐标系 z e z ??+??+??=? φρρφρe e 球坐标系分别 ? θθφθ??+??+??=?sin e e r e r r r 7、高斯散度定理数学表达式 ???=??V s S d F dV F ,本课程主要应用的两个方面分别是 静电场的散度 、 恒定磁场的散度 ;
高中物理第二章 电磁感应与电磁场单元测试题及解析
第二章电磁感应与电磁场章末综合检测 (时间:90分钟;满分100分) 一、单项选择题(本题共8小题,每小题4分,共32分.在每小题给出的四个选项中,只有一个选项正确) 1.下列过程中一定能产生感应电流的是( ) A.导体和磁场做相对运动 B.导体一部分在磁场中做切割磁感线运动 C.闭合导体静止不动,磁场相对导体运动 D.闭合导体内磁通量发生变化 2.关于磁通量的概念,下列说法中正确的是( ) A.磁感应强度越大,穿过闭合回路的磁通量也越大 B.磁感应强度越大,线圈面积越大,穿过闭合回路的磁通量也越大 C.穿过线圈的磁通量为零时,磁感应强度不一定为零 D.磁通量发生变化时,磁感应强度一定发生变化 3.如图2-3,半径为R的圆形线圈和矩形线圈abcd在同一平面内,且在矩形线圈内有变化的磁场,则( ) 图2-3 A.圆形线圈有感应电流,矩形线圈无感应电流 B.圆形线圈无感应电流,矩形线圈有感应电流 C.圆形线圈和矩形线圈都有感应电流 D.圆形线圈和矩形线圈都无感应电流 4.以下叙述不正确的是( ) A.任何电磁波在真空中的传播速度都等于光速 B.电磁波是横波 C.电磁波可以脱离“波源”而独自存在 D.任何变化的磁场都可以产生电磁波 5.德国《世界报》曾报道过个别西方发达国家正在研制电磁脉冲波武器——电磁炸弹.若一枚原始脉冲波功率10 kW、频率5千兆赫的电磁炸弹在不到100 m的高空爆炸,它将使方圆400 m2~500 m2地面范围内电场达到每米数千伏,使得电网设备、通信设施和计算机中的硬盘与软盘均遭到破坏.电磁炸弹有如此破坏力的主要原因是( ) A.电磁脉冲引起的电磁感应现象 B.电磁脉冲产生的动能 C.电磁脉冲产生的高温 D.电磁脉冲产生的强光 6.在图2-4中,理想变压器的原副线圈的匝数比为n1∶n2=2∶1,A、B为完全相同的灯泡,电源电压为U,则B灯两端的电压有( ) 图2-4 A.U/2 B.2U
电磁场与微波技术(第2版)黄玉兰-习题答案
) 第一章 证: 941(6)(6)50=0 A B A B A B A B =?+?-+-?=∴?∴和相互垂直和相互平行 (1) 2 222 0.5 0.50.5 2222 0.5 0.5 0.5 2272(2)(2272)1 24 s Ax Ay Az A divA x y z x x y x y z Ads Ad dz dy x x y x y z dz ττ---????==++ ???=++=?=++=??? ??由高斯散度定理有 ?
(1) 因为闭合路径在xoy 平面内, 故有: 222()()8(2) (22)()2()8 x y z x y x z x s A dl e x e x e y z e dx e dy xdx x dy A dl S XOY A ds e yz e x e dxdy xdxdy A ds → →→ → ?=+++=+∴?=??=+=??=∴??因为在面内, 所以,定理成立。 。 (1) 由梯度公式
(2,1,3) |410410x y z x y z x y z u u u u e e e x y z e e e e e e ????=++???=++=++1 方向:() (2) 最小值为0, 与梯度垂直 证明 00u A ???=??= 书上p10 , 第二章
3343 sin 3sin 4q a V e wr qwr J V e a ρρ ρπθ θ ρπ= ==?=
''222 2' 30 222 ,40 =l l l dl d R Er R ez z ea a ez z ea a Er r z z a P ez z ea a E d z a ea π ρρα?ρα?πε===--= = +-=+? 用圆柱坐标系进行求解 场点坐标为P(0,0,z).线电荷元可以视为点电荷,其到场点的距离矢量得所以点的电场强度为()2' ' '0 3222 cos sin 0 20 l z ex ey ea d z E e z a π ???ραε+∴=∴=+?() 。 -
习题9电磁感应与电磁场
习题9 9-1在磁感应强度B 为0.4T 的均匀磁场中放置一圆形回路,回路平面与B 垂直,回路的面积与时间的关系为:S=5t 2+3(cm 2),求t=2s 时回路中感应电动势的大小? 解:根据法拉第电磁感应定律得 dt d m Φ- =εdt dS B =Bt 10= V 4108-?=ε 9-2 如题9-2图所示,载有电流I 的长直导线附近,放一导体半圆环MeN 与长直导线共面,且端点MN 的连线与长直导线垂直.半圆环的半径为b ,环心O 与导线相距a .设半圆环以速度v 平行导线平移.求半圆环感应电动势的大小和方向及MN 两端的电压U M -U N . 题9-2 解: 作辅助线MN ,则在MeNM 回路中,沿v 方向运动时0d =m Φ ∴ 0=MeNM ε 即 MN MeN εε= 又∵ ? +-<+-= =b a b a MN b a b a Iv l vB 0ln 2d cos 0πμπε 所以MeN ε沿NeM 方向, 大小为 b a b a Iv -+ln 20πμ M 点电势高于N 点电势,即 b a b a Iv U U N M -+= -ln 20πμ
题9-3 9-3 如题9-3图所示,在两平行载流的无限长直导线的平面有一矩形线圈.两导线中的电流 方向相反、大小相等,且电流以d I d t 的变化率增大,求: (1)任一时刻线圈所通过的磁通量; (2)线圈中的感应电动势. 解: 以向外磁通为正则 (1) ]ln [ln π2d π2d π2000d a d b a b Il r l r I r l r I a b b a d d m +-+= -= ?? ++μμμΦ (2) t I b a b d a d l t d d ]ln [ln π2d d 0+-+=-=μΦε 题9-4 9-4 如题9-4图所示,长直导线通以电流I =5 A ,在其右方放一长方形线圈,两者共面.线圈长b =0.06 m ,宽a =0.04 m ,线圈以速度v =0.03 m/s 垂直于直线平移远离.求:d =0.05 m 时线圈中感应电动势的大小和方向. 解: AB 、CD 运动速度v 方向与磁力线平行,不产生感应电动势.
大物B课后题08-第八章 电磁感应 电磁场
习题 8-6 一根无限长直导线有交变电流0sin i I t ω=,它旁边有一与它共面的矩形线圈ABCD ,如图所示,长为l 的AB 和CD 两边与直导向平行,它们到直导线的距离分别为a 和b ,试求矩形线圈所围面积的磁通量,以及线圈中的感应电动势。 解 建立如图所示的坐标系,在矩形平面上取一矩形面元dS ldx =,载流长直导线的磁场穿过该面元的磁通量为 02m i d B dS ldx x μφπ=?= 通过矩形面积CDEF 的总磁通量为 0000ln ln sin 222b m a i il I l b b ldx t x a a μμμφωπππ===? 由法拉第电磁感应定律有 00ln cos 2m d I l b t dt a φμωεωπ=- =- 8-7 有一无限长直螺线管,单位长度上线圈的匝数为n ,在管的中心放置一绕了N 圈,半径为r 的圆形小线圈,其轴线与螺线管的轴线平行,设螺线管内电流变化率为dI dt ,球小 线圈中感应的电动势。 解 无限长直螺线管内部的磁场为 0B nI μ= 通过N 匝圆形小线圈的磁通量为 2 0m NBS N nI r φμπ== 由法拉第电磁感应定律有 20m d dI N n r dt dt φεμπ=- =- 8-8 一面积为S 的小线圈在一单位长度线圈匝数为n ,通过电流为i 的长螺线管内,并与螺线管共轴,若0sin i i t ω=,求小线圈中感生电动势的表达式。 解 通过小线圈的磁通量为 0m BS niS φμ== 由法拉第电磁感应定律有 000cos m d di nS nSi t dt dt φεμμωω=- =-=- 8-9 如图所示,矩形线圈ABCD 放在1 6.010B T -=?的均匀磁场中,磁场方向与线圈平面的法线方向之间的夹角为60α=?,长为0.20m 的AB 边可左右滑动。若令AB 边以速率 15.0v m s -=?向右运动,试求线圈中感应电动势的大小及感应电流的方向。 解 利用动生电动势公式
《电磁场与电磁波》(陈抗生)习题解答选
《电磁场与电磁波》(陈抗生)习题解答 第一章 引言——波与矢量分析 1.1 .,,/)102102cos(1026300p y v k f E m V x t y y E E 相速度相位常数度,频率波的传播方向,波的幅的方向,,求矢量设 --?+?==ππ 解:m /V )x 102t 102cos(10y y E z E y E x E E 26300y 0z 0y 0x --?π+?π==++= ∴ 矢量E 的方向是沿Y 轴方向,波的传播方向是-x 方向; 波的幅度 m /V 10E E 3y -== 。s /m 10102102k V ;102k ;MHZ 1HZ 1021022f 82 6P 266 =?π?π=ω=?π===π?π=πω=-- 1.2 写出下列时谐变量的复数表示(如果可能的话) )6sin()3sin()()6(cos 1)()5()2120cos(6)()4(cos 2sin 3)()3(sin 8)()2() 4cos(6)()1(πωπωωππωωωπ ω++ =-=- =-=-=+=t t t U t t D t t C t t t A t t I t t V (1)解: 4/)z (v π=? j 23234 sin j 64cos 6e 6V 4j +=π+π==π∴ (2)解:)2t cos(8)t (I π-ω-= 2 )z (v π-=? j 8e 8I j 2=-= π-∴
(3)解:) t cos 132 t sin 133 (13)t (A ω-ω= j 32e 13A 2)z ()2t cos(13)t (A 133cos )2(j v --==π-θ=?∴π-θ+ω== θπ-θ则则令 (4)解:)2 t 120cos(6)t (C π-π= j 6e 6C 2j -==∴π (5)(6)两个分量频率不同,不可用复数表示 1.3由以下复数写出相应的时谐变量] )8.0exp(4)2 exp(3)3() 8.0exp(4)2(1)1(j j C j C j C +==+=π (1)解: t sin t cos j t sin j t cos )t sin j t )(cos j 1(e )j 1(t j ω-ω+ω+ω=ω+ω+=+ω t sin t cos )Ce (RE )t (C t j ω-ω==∴ω (2)解:)8.0t cos(4)e e 4(RE )Ce (RE )t (C t j 8.0j t j +ω===ωω (3)解:)8.0t (j )2t (j t j 8.0j j t j e 4e 3e )e 4e 3(Ce 2+ωπ+ωωω+=+=π 得:)t cos(3)8.0t cos(4)8.0t cos(4)2 t cos(3)Ce (RE )t (C t j ω-+ω=+ω+π+ω==ω 1.4 ] Re[,)21(,)21(000000**????++--=+++=B A B A B A B A z j y j x B z j y j x A ,,,求:假定 解:1B A B A B A B A z z y y x x -=++=?
《电磁场与电磁波》经典例题
一、选择题 1、以下关于时变电磁场的叙述中,正确的是( ) A 、电场是无旋场 B 、电场和磁场相互激发 C 、电场与磁场无关 2、区域V 全部用非导电媒质填充,当此区域中的电磁场能量减少时,一定是( ) A 、能量流出了区域 B 、能量在区域中被消耗 C 、电磁场做了功 D 、同时选择A 、C 3、两个载流线圈之间存在互感,对互感没有影响的的是( ) A 、线圈的尺寸 B 、两个线圈的相对位置 C 、线圈上的电流 D 、空间介质 4、导电介质中的恒定电场E 满足( ) A 、0??=E B 、0??=E C 、??=E J 5、用镜像法求解电场边值问题时,判断镜像电荷的选取是否正确的根据是( ) A 、镜像电荷是否对称 B 、电位方程和边界条件不改变 C 、同时选择A 和B 6、在静电场中,电场强度表达式为3(32)()y x z cy ε=+--+x y z E e e e ,试确定常数 ε的值是( ) A 、ε=2 B 、ε=3 C 、ε=4 7、若矢量A 为磁感应强度B 的磁矢位,则下列表达式正确的是( ) A 、=?B A B 、=??B A C 、=??B A D 、2=?B A 8、空气(介电常数10εε=)与电介质(介电常数204εε=)的分界面是0z =平面, 若已知空气中的电场强度124= +x z E e e 。则电介质中的电场强度应为( ) A 、1216=+x z E e e B 、184=+x z E e e C 、12=+x z E e e 9、理想介质中的均匀平面波解是( ) A 、TM 波 B 、TEM 波 C 、TE 波 10、以下关于导电媒质中传播的电磁波的叙述中,正确的是( ) A 、不再是平面波 B 、电场和磁场不同相 C 、振幅不变 D 、以T E 波的形式传播 二、填空 1、一个半径为α的导体球作为电极深埋地下,土壤的电导率为 σ,略去地面的影响,则电极的接地电阻R = 2、 内外半径分别为a 、b 的无限长空心圆柱中均匀的分布着轴向电流I ,设空间离轴距离为()r r a <的某点处,B= 3、 自由空间中,某移动天线发射的电磁波的磁场强度
电磁感应电磁场习题
第十三章 电磁感应 电磁场习题 (一) 教材外习题 电磁感应习题 一、选择题: 1.一块铜板放在磁感应强度正在增大的磁场中时,铜板中出现涡流(感应电流),则涡流将 (A )加速铜板中磁场的增加 (B )减缓铜板中磁场的增加 (C )对磁场不起作用 (D )使铜板中磁场反向 ( ) 2.在如图所示的装置中,当把原来静止的条形磁铁从螺线管中按图示情况抽出时, (A )螺线管线圈中感生电流方向如A 点处箭头所示。 (B )螺线管右端感应呈S 极。 (C )线框EFGH 从图下方粗箭头方向看去将逆时针旋转。 (D )线框EFGH 从图下方粗箭头方向看去将顺时针旋转。 ( ) 3.在无限长的载流直导线附近放置一矩形闭合线圈,开始时线圈与导线在同一平面内,且线圈中两条边与导线平行,当线圈以相同的速率作如图所示的三种不同方向的平动时,线圈中的感应电流 (A )以情况Ⅰ中为最大 (B )以情况Ⅱ中为最大 (C )以情况Ⅲ中为最大 (D )在情况Ⅰ和Ⅱ中相同 ( ) 4.如图所示,一矩形金属线框,以速度v 从无场空间进入一均匀磁场中,然后又从磁场中 出来,到无场空间中。不计线圈的自感,下面哪一条图线正确地表示了线圈中的感应电流对
时间的函数关系?(从线圈刚进入磁场时刻开始计时,I 以顺时针方向为正) 5.如图,一矩形线框(其长边与磁场边界平行)以匀速v 自左侧无场区进入均匀磁场又穿出,进入右侧无场区,试问图(A )—(E )中哪一图象能最合适地表示线框中电流i 随时间t 的变化关系?(不计线框自感) ( ) 6.在一个塑料圆筒上紧密地绕有两个完全相同的线圈aa '和bb ',当线圈aa '和bb '如图(1)绕制时其互感系数为M 1,如图(2)绕制时其互感系数为M 2,M 1与M 2的关系是 (A )M 1 = M 2 ≠ 0 (B )M 1 = M 2 = 0 (C )M 1 ≠ M 2,M 2=0 (D )M 1≠M 2,M 2≠0 ( ) 7.真空中两根很长的相距为2a 的平行直导线与电源组成闭合回路如图。已知导线中的电流强度为I ,则在两导线正中间某点P 处的磁能密度为 (A )200)2(1a I πμμ (B )200)2(21 a I πμμ (C )200)2(21 a I πμμ (D )0 ( )
(川理工)电磁场与电磁波重要例题习题解读
电磁场与电磁波易考简答题归纳 1、什么是均匀平面电磁波? 答:平面波是指波阵面为平面的电磁波。均匀平面波是指波的电场→ E 和磁场→ H 只沿波的传播方向变化,而在波阵面内→ E 和→ H 的方向、振幅和相位不变的平面波。 2、电磁波有哪三种极化情况?简述其区别。 答:(1)直线极化,同相位或相差 180;2)圆极化,同频率,同振幅,相位相差 90或 270;(3)椭圆极化,振幅相位任意。 3、试写出正弦电磁场的亥姆霍兹方程(即亥姆霍兹波动方程的复数形式),并说明意义。 答:0 02222=+?=+?→ →→ → H k H E k E ,式中μεω22 =k 称为正弦电磁波的波数。 意义:均匀平面电磁波在无界理想介质中传播时,电场和磁场的振幅不变,它们在时间上同相,在空间上互相垂直,并且电场、磁场、波的传播方向三者满足右手螺旋关系。电场和磁场的分量由媒质决定。 4、写出时变电磁场中麦克斯韦方程组的非限定微分形式,并简述其意义。 答:????????? ??=??=????-=????+=??→→ → →→ →→ρ εμμ εE H t H E t E J H )4(0)3()2()1( 物理意义:A 、第一方程:时变电磁场中的安培环路定律。物理意义:磁场是由电流和时变的电场激励的。 B 、第二方程:法拉第电磁感应定律。物理意义:说明了时变的磁场激励电场的这一事实。 C 、第三方程:时变电场的磁通连续性方程。物理意义:说明了磁场是一个旋涡场。 D 、第四方程:高斯定律。物理意义:时变电磁场中的发散电场分量是由电荷激励的。 5、写出麦克斯韦方程组的微分形式或积分形式,并简述其意义。 答:(1)微分形式 (2) 积分形式 物理意义:同第4题。 6、写出达朗贝尔方程,即非齐次波动方程,简述其意义。 答:→→ → -=??-?J t A A μμε222 ,ερμε-=?Φ?-Φ?→ →222t 物理意义:→ J 激励→ A ,源ρ激励Φ,时变源激励的时变电磁场在空间中以波动方式传播,是时变源的电场辐射过程。 7、写出齐次波动方程,简述其意义。 答:0 222=??-?→ → t H H με,022 2=??-?→ → t E E με 物理意义:时变电磁场在无源空间中是以波动方式运动,故称时变电磁场为电磁波,且电磁波的传播速度为: με υ1= p 8、简述坡印廷定理,写出其数学表达式及其物理意义。 答:(1)数学表达式:①积分形式:??? ++?? =?-→ →τττστεμd E d E H t S d S S 222)2 1 21(,其中,→ →→?=H E S ,称为坡印廷矢量。 ???????????=??=????-=????+=??→→ →→→ →→ρD B t B E t D J H )4(0)3()2()1( ????? ??????=?=????-=????+=???????→→→ →→→→→→→→→→q S d D l d B S d t B l d E S d t D J l d H S S S l s l )4(0)3()2()()1(
电磁感应习题解答电磁场习题解答
第十三章 电磁感应 一 选择题 3.如图所示,一匀强磁场B 垂直纸面向内,长为L 的导线ab 可以无摩擦地在导轨上滑动,除电阻R 外,其它部分电阻不计,当ab 以匀速v 向右运动时,则外力的大小是: R L B R L B R L B R BL L B 222222222 E. D. 2 C. B. A.v v v v v 解:导线ab 的感应电动势v BL =ε,当 ab 以匀速v 向右运动时,导线ab 受到的外力与安培力是一对平衡力,所以R L B L R B F F v 22===ε 安外。 所以选(D ) 4.一根长度L 的铜棒在均匀磁场B 中以匀角速度ω旋转着,B 的方向垂直铜棒转动的平面,如图,设t = 0时,铜棒与Ob 成θ角,则在任一时刻t 这根铜棒两端之间的感应电动势是:( ) A. )cos(2θωω+t B L B. t B L ωωcos 2 12 C. )cos(22θωω+t B L D. B L 2ω E. B L 22 1ω 解:???= ==??=L L BL l l B l B )00221d d d ωωεv l B v ( 所以选(E ) 6.半径为R 的圆线圈处于均匀磁场B 中,B 垂直于线圈平面向上。如果磁感应强度为B =3 t 2+2 t +1,则线圈中的感应电场为:( ) A . 2π(3 t + 1)R 2 ,顺时针方向; B. 2π(3 t + 1)R 2 ,逆时针方向; C . (3 t + 1)R ,顺时针方向; D . (3 t + 1)R ,逆时针方向; 解:由??? ???-=?S B l E d d i t ,则感应电场的大小满足 选择题4图 选择题3图 v
电磁场二章习题解答(精品文档)
第二章习题解答 2.1 一个平行板真空二极管内的电荷体密度为42004 9 U d x ρε--=- ,式中阴极板位于0x =,阳极板位于x d =,极间电压为0U 。如果040V U =、1cm d =、横截面210cm S =,求:(1)0x =和x d =区域内的总电荷量Q ;(2)2x d =和x d =区域内的总电荷量Q '。 解 (1) 4323 000 4 d ()d 9 d Q U d x S x τ ρτε--==-=?? 11004 4.7210C 3U S d ε--=-? (2) 432002 4d ()d 9d d Q U d x S x τρτε--' '= = -=? ?11004(10.9710C 3U S d ε--=-? 2.2 一个体密度为732.3210C m ρ-=?的质子束,通过1000V 的电压加速后形成等速的 质子束,质子束内的电荷均匀分布,束直径为2mm ,束外没有电荷分布,试求电流密度和电流。 解 质子的质量271.710kg m -=?、电量191.610C q -=?。由 2 1 mv qU = 得 61.3710v ==? m 故 0.318J v ρ== 2A m 26(2)10I J d π-== A 2.3 一个半径为a 的球体内均匀分布总电荷量为Q 的电荷,球体以匀角速度ω绕一个直径 旋转,求球内的电流密度。 解 以球心为坐标原点,转轴(一直径)为z 轴。设球内任一点P 的位置矢量为r ,且r 与z 轴的夹角为θ,则P 点的线速度为 sin r φωθ=?=v r e ω 球内的电荷体密度为 3 43 Q a ρπ= 故 33 3sin sin 434Q Q r r a a φ φω ρωθθππ===J v e e 2.4 一个半径为a 的导体球带总电荷量为Q ,同样以匀角速度ω绕一个直径旋转,求球表 面的面电流密度。 解 以球心为坐标原点,转轴(一直径)为z 轴。设球面上任一点P 的位置矢量为r ,且r 与z 轴的夹角为θ,则P 点的线速度为 sin a φωθ=?=v r e ω 球面的上电荷面密度为 2 4Q a σπ= 故 2 sin sin 44S Q Q a a a φφω σωθθππ===J v e e 2.5 两点电荷18C q =位于z 轴上4z =处,24C q =-位于y 轴上4y =处,求(4,0,0)处 的电场强度。
电磁场理论复习题(题库+答案)
第1~2章 矢量分析 宏观电磁现象的基本规律 1. 设:直角坐标系中,标量场zx yz xy u ++=的梯度为A ,则 A = ,=??A 0 。 2. 已知矢量场 xz e xy e z y e A z y x ?4?)(?2+++= ,则在M (1,1,1) 处=??A 9 。 3. 亥姆霍兹定理指出,若唯一地确定一个矢量场(场量为A ),则必 须同时给定该场矢量的 旋度 及 散度 。 4. 写出线性和各项同性介质中场量D 、E 、B 、H 、J 所满足的方程 (结构方程): 。 5. 电流连续性方程的微分和积分形式分别为 和 。 6. 设理想导体的表面A 的电场强度为E 、磁场强度为B ,则 (a )E 、B 皆与A 垂直。 (b )E 与A 垂直,B 与A 平行。 (c )E 与A 平行,B 与A 垂直。 (d )E 、B 皆与A 平行。 答案:b 7. 设自由真空区域电场强度(V/m) )sin(?0βz ωt E e E y -= ,其中0E 、ω、β 为常数。则空间位移电流密度d J (A/m 2)为: (a ) )cos(?0βz ωt E e y - (b ) )cos(?0βz ωt ωE e y - (c ) )cos(?00βz ωt E ωe y -ε (d ) )cos(?0βz ωt βE e y -- 答案:c 8. 已知无限大空间的相对介电常数为4=εr ,电场强度 )(?)(?)(?y x e z x e z y e z y x +++++A ??A ??E J H B E D σ=μ=ε= , ,t q S d J S ??-=?? t J ?ρ?-=??
大学物理(少学时)第9章电磁感应与电磁场课后习题答案
9-1两个半径分别为R 和r 的同轴圆形线圈相距x ,且R >>r ,x >>R .若大线圈通有电流I 而小线圈沿x 轴方向以速率v 运动,试求小线圈回路中产生的感应电动势的大小. 解:在轴线上的磁场 () ()2 2 003 3 2 2 2 22IR IR B x R x R x μμ= ≈ >>+ 3 2 202x r IR BS πμφ= = v x r IR dt dx x r IR dt d 4 22042202332πμπμφ ε=--=-= 9-2如图所示,有一弯成θ 角的金属架COD 放在磁场中,磁感强度B ? 的方向垂直于金属架 COD 所在平面.一导体杆MN 垂直于OD 边,并在金属架上以恒定速度v ?向右滑动,v ? 与 MN 垂直.设t =0时,x = 0.求当磁场分布均匀,且B ? 不随时间改变,框架内的感应电动势i ε. 解:12m B S B xy Φ=?=?,θtg x y ?=,vt x = 22212/()/i d dt d Bv t tg dt Bv t tg ε?θθ=-=-=?,电动势方向:由M 指向N 9-3 真空中,一无限长直导线,通有电流I ,一个与之共面的直角三角形线圈ABC 放置在此长直导线右侧。已知AC 边长为b ,且与长直导线平行,BC 边长为a ,如图所示。若线圈以垂直于导线方向的速度v 向右平移,当B 点与直导线的距离为d 时,求线圈ABC 内的感应电动势的大小和方向。 解:当线圈ABC 向右平移时,AB 和AC 边中会产 生动生电动势。当C 点与长直导线的距离为d 时,AC 边所在位置磁感应强度大小为:02() I B a d μπ= + AC 中产生的动生电动势大小为: x r I R x v C D O x M θ B ? v ?
电磁场习题解读
静电 例1、三个点电荷q1、q2、q3沿一条直线分布,已知其中任一点电荷所受合力均为零,且 q1=q3=Q ,求在固定q1、q3的情况下,将q2从o →∞,外力需作功A=? 解:由已知q1所受静电力 例2、有两个点电荷带电量为nq 和-q (n>1),相距d,证明电势为零的等势面为一球面。证明:空间任一点电势 整理可得: 上式为球面方程: 球心坐标 球面半径 例3、点电荷-q 位于圆心处,A 、B 、C 、D 位于同一圆周上的四点如图示。将q0从A 移至B 、C 、D 点,电场力的功。 A=0 例4. 已知: 是闭合曲面的一部分,面内无净电荷电场线穿过该闭合面,穿过 部分的电场通量1?Φ,求:通过其余部分的电场通量2?Φ。 解:由高斯定理 ?∑=?=ΦS i i e q S d E 0 ε ,00=Φ∴=∑e i i q ,12120?Φ-=Φ∴=?Φ+Φ∴ 例5、长为L,线电荷密度λ的两根均匀带电细棒,沿同一直线放置,两棒近端相距 a ,求两 棒间的静电力。 q 2 x o d n n 1 (22 - 、 0、0) 04)2(42 0322031=+=a q q a q q f πεπε4412Q q q -=-=∴e A A -=∴)0(2--=o U q a Q q 0242πε-=a Q 028πε =q nq U U U -+=2 220 2220)(44z y d x q z y x nq ++--+ ++=πεπε0 =令 222222)(z y d x q z y x nq ++-=++∴[] 2222222)(z y x z y d x n ++=++-22222221()1(-=++--n nd z y d n n x 1 2-= n nd R S ?S ?
完整版电磁感应综合典型例题
电磁感应综合典型例题 【例11电阻为R的矩形线框abed,边长ab=L, ad=h,质量为m 自某一高度自由落下,通过一匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,磁 场区域的宽度为h,如图所示,若线框恰好以恒定速度通过磁场,线 框中产生的焦耳热是 _________ ?(不考虑空气阻力) 【分析】线框通过磁场的过程中,动能不变。根据能的转化和守恒,重力对线框所做的功全部转化为线框中感应电流的电能,最后又全部转化为焦耳热?所以,线框通过磁场过程中产生的焦耳热为 Q=W=mg- 2h=2mgh 【解答1 2mgh
【说明】本题也可以直接从焦耳热公式Q=l2Rt进行推算: 设线框以恒定速度v通过磁场,运动时间 从线框的cd边进入磁场到ab边离开磁场的过程中,因切割磁感 线产生的感应电流的大小为 cd边进入磁场时的电流从d到c, cd边离开磁场后的电流方向从a到b.整个下落过程中磁场对感应电流产生的安培力方向始终向上, 大小恒为 据匀速下落的条件,有 因线框通过磁场的时间,也就是线框中产生电流的时间,所以据 焦耳定律,联立(I )、(2)、(3)三式,即得线框中产生的焦耳热 为
Q=2mgh 两种解法相比较,由于用能的转化和守恒的观点,只需从全过程 考虑,不需涉及电流的产生等过程,计算更为简捷. 【例2】一个质量m=0.016kg、长L=0.5m,宽d=0.1m、电阻R=0.1 Q的矩形线圈,从离匀强磁场上边缘高h i=5m处由静止自由下落.进 入磁场后,由于受到磁场力的作用,线圈恰能做匀速运动(设整个运 动过程中线框保持平动),测得线圈下边通过磁场的时间△t=0.15s,取g=10m/s,求: (1)匀强磁场的磁感强度B; (2)磁场区域的高度h2;
最新电磁学第二章习题答案
习题五(第二章 静电场中的导体和电介质) 1、在带电量为Q 的金属球壳内部,放入一个带电量为q 的带电体,则金属球壳 内表面所带的电量为 - q ,外表面所带电量为 q +Q 。 2、带电量Q 的导体A 置于外半径为R 的导体 球壳B 内,则球壳外离球心r 处的电场强度大小 204/r Q E πε=,球壳的电势R Q V 04/πε=。 3、导体静电平衡的必要条件是导体内部场强为零。 4、两个带电不等的金属球,直径相等,但一个是空心,一个是实心的。现使它们互相接触,则这两个金属球上的电荷( B )。 (A)不变化 (B)平均分配 (C)空心球电量多 (D)实心球电量多 5、半径分别R 和r 的两个球导体(R >r)相距很远,今用细导线把它们连接起来,使两导体带电,电势为U 0,则两球表面的电荷面密度之比σR /σr 为 ( B ) (A) R/r (B) r/R (C) R 2/r 2 (D) 1 6、有一电荷q 及金属导体A ,且A 处在静电平衡状态,则( C ) (A)导体内E=0,q 不在导体内产生场强; (B)导体内E ≠0,q 在导体内产生场强; (C)导体内E=0,q 在导体内产生场强; (D)导体内E ≠0,q 不在导体内产生场强。 7、如图所示,一内半径为a ,外半径为b 的金属球壳,带有电量Q , 在球壳空腔内距离球心为r 处有一点电荷q ,设无限远 处为电势零点。试求: (1)球壳外表面上的电荷; (2)球心O 点处由球壳内表面上电荷产生的电势; (3)球心O 点处的总电势。 解: (1) 设球壳内、外表面电荷分别为q 1 , q 2,以O 为球心作一半径为R (a 一 填空题 1. 麦克斯韦方程组的微分形式是: 、 、 和 。 2. 静电场的基本方程为: 、 。 3. 恒定电场的基本方程为: 、 。 4. 恒定磁场的基本方程为: 、 。 5. 理 想导体(媒质2)与空气(媒质1)分界面上,电磁场边界条件为: 、 、 和 。 6. 线性且各向同性媒质的本构关系方程是: 、 、 。 7. 电流连续性方程的微分形式为: 。 8. 引入电位函数?是根据静电场的 特性。 9. 引入矢量磁位A ? 是根据磁场的 特性。 10. 在两种不同电介质的分界面上,用电位函数?表示的边界条件为: 、 。 11. 电场强度E ?的单位是 ,电位移D ?的单位是 ;磁感应强度B ? 的单位是 ,磁场强 度H ? 的单位是 。 12. 静场问题中,E ?与?的微分关系为: ,E ? 与?的积分关系为: 。 13. 在自由空间中,点电荷产生的电场强度与其电荷量q 成 比,与观察点到电荷所在点的距离平方成 比。 14. XOY 平面是两种电介质的分界面,分界面上方电位移矢量为z y x e e e D ????0001255025εεε++= C/m 2 ,相对介电 常数为2,分界面下方相对介电常数为5,则分界面下方z 方向电场强度为__________,分界面下方z 方向的电位移矢量为_______________。 15. 静电场中电场强度z y x e e e E ? ??? 432++=,则电位?沿122333 x y z l e e e = ++v v v v 的方向导数为_______________,点A (1,2,3)和B (2,2,3)之间的电位差AB U =__________________。 16. 两个电容器1C 和2C 各充以电荷1Q 和2Q ,且两电容器电压不相等,移去电源后将两电容器并联,总的电容 器储存能量为 ,并联前后能量是否变化 。 17. 一无限长矩形接地导体槽,在导体槽中心位置有一电位为U 的无限长圆柱导体,如图所示。由于对称性,矩 形槽与圆柱导体所围区域内电场分布的计算可归结为图中边界1Γ、2Γ、3Γ、4Γ和5Γ所围区域Ω内的电场计算。则在边界_____________上满足第一类边界条件,在边界_____________上满足第二类边界条件。 18. 导体球壳内半径为a ,外半径为b ,球壳外距球心d 处有一点电荷q ,若导体球壳接地,则球壳内表面的感 应电荷总量为____________,球壳外表面的感应电荷总量为____________。工程电磁场复习题