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文檔簡介

靜電場復(fù)習(xí)一、電場強度qdrP.應(yīng)用(1)延長線上的電場(3)一段半圓圓心的電場(2)圓軸線上的電場強度解:

取電荷元dq,其矢徑與x軸的交角為

例:一電偶極子放在均勻電場中,當電偶極矩的方向與場強方向不一致時其所受的合力F和矩M為:

(B)例:在一個帶有負電荷的均勻帶電體球外,放置一電偶極子,其電矩p的方向如圖所示,當電偶極子被釋放后,該電偶極子將如何運動?答案:繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到P沿徑向指向球面,同時順電場線向球面移運動。例:一半徑為R,長為L的帶電圓柱面,其單位長度帶電量為

,在帶電圓柱的中面上有一點P,它到軸線距離為r,則P的電場強度的大?。寒攔<<L時當r>>L時L二高斯定理應(yīng)用1.均勻帶電球面的電場ER++++++++++++++++rq高斯面2、均勻帶電球體的電場3、電荷密度球?qū)ΨQ球體的電場解:

(1)(2)作以r為半徑的高斯面,高斯面內(nèi)所包含的電量為:由高斯定理:r作以r為半徑的高斯面,高斯面內(nèi)所包含的電量為:由高斯定理:rR例:圖示為一個均勻帶電球?qū)樱潆姾审w密度為,球殼內(nèi)半徑為R1,外半徑為R2。求球內(nèi)外電場分布與球心處的電勢。0rS

解:以o為圓心,半徑

r作一球面為高斯面,則利用GS定理與場分布具有球?qū)ΨQ性的特點可得q4.無限長帶電棒的電場5.均勻帶電圓柱體的電場(面?)6.均勻帶電無限大平面的電場EσS高斯面E單位面積上的電量如圖設(shè)一薄導(dǎo)體板表面的電荷面密度為用高斯定理求空間電場單位面積上的電量IIIIIIx以上假定電荷密度是正號,實際求解時要考慮正負號ⅢⅡⅠ7、厚度為a的無限大帶電平板空間的電場分布,其電荷體密度分布有兩種情況:(1)密度均勻分布;(2)密度是x的函數(shù)。a如圖所示,一厚度為a的無限大帶電平板,其電荷體密度分布為

kx

(0xa)式中k為正常數(shù),試證明:(1)平板外空間的場強為均勻電場,大小為

(2)平板內(nèi)處E=0據(jù)分析可知平板外的電場是均勻電場,作如圖封閉圓柱面為高斯面x0axdxES(2)x<ax0axE1S解:

(1)以O(shè)為對稱點作垂直于平板平面的圓柱面為高斯面,設(shè)底面積為S,長度為2x,如圖所示。高斯面內(nèi)所包含的電量為:高斯面內(nèi)所包含的電通量為:由高斯定理:OQP設(shè)電荷密度均勻,求電場分布對于Q點:以Q為對稱點作垂直于平板平面的圓柱面為高斯面,設(shè)底面積為S,長度為2xQ高斯面內(nèi)所包含的電量為:高斯面內(nèi)所包含的電通量為:由高斯定理:QP三環(huán)流定理應(yīng)用ab保守力場中引入電勢的好處之一就是求電場力的功不需考慮過程,用初態(tài)勢能減去終態(tài)勢能就得電場力的功.理論上,帶電體不是無限大,通常選無窮遠處為零勢點點電荷場中連續(xù)帶電體的電勢均勻帶電球面均勻帶電球面在內(nèi)部任一點產(chǎn)生的電勢與表面處的電勢相等例:圖中所示為一球?qū)ΨQ性靜電場的電勢分布曲線,r表示離對稱中心的距離,則該電場是什么帶電體產(chǎn)生的?R均勻帶電球體正點電荷均勻帶電球面解:

取以r為半徑,寬為dr的細圓環(huán),帶電量為細圓環(huán)在o點的電勢為d

Rr例求均勻帶電圓盤中心的電勢求均勻帶電球體中心的電勢,方法同上Rr求均勻帶電球體中心的電勢,方法同上求均勻帶電球殼中心的電勢??例:真空中有一半徑為R的半圓細環(huán),均勻帶電Q,如圖所示,設(shè)無窮遠處的電勢為零,則0點處電勢是多少?若將一帶電量為q的點電荷從無窮遠處移到o點,電場力作多少功?ROQ答案:例.有一外半徑R1,內(nèi)半徑為R2的金屬球殼。在球殼中放一半徑為R3的金屬球,球殼和球均帶有電量10-8C的正電荷。問:(1)兩球電荷分布。(2)球心的電勢。(3)球殼電勢。解:(r<R3)(R3<r<R2)1、電荷+q分布在內(nèi)球表面。2、球殼內(nèi)表面帶電-q。3、球殼外表面帶電2q。(R2<r<R1)(r>R1)R3R2R1(2)(3)用場強來描寫:

1.

導(dǎo)體內(nèi)部場強處處為零;

2.

表面場強垂直于導(dǎo)體表面。導(dǎo)體中電荷的宏觀定向運動終止,電荷分布不隨時間改變。

用電勢來描寫:

1.

導(dǎo)體為一等勢體;

2.

導(dǎo)體表面是一個等勢面。靜電平衡條件:導(dǎo)體上電荷分布的特點有空腔無空腔腔內(nèi)有電荷腔內(nèi)無電荷導(dǎo)體的靜電平衡(1).由高斯定理和電荷守恒定律:外球殼的內(nèi)表面帶電-q,外表面帶電+q。(2).外球殼接地且重新絕緣后,電荷重新分布。外表面附近場強為0,所以外球殼外表面不帶電,故外球殼的內(nèi)表面仍帶電-q。r1r2+q-qr1r2-q(3).在外球殼帶電為-q的基礎(chǔ)上,內(nèi)球殼接地后,設(shè)此時內(nèi)球殼帶電為q’,由電勢疊加可知:外球殼電勢由疊加可得:r1r2++++-q例:真空中有一半徑為R的球面均勻帶電Q.在球心o點處有一電量為q的點電荷,如圖所示.設(shè)無窮遠處為電勢零點,則在球內(nèi)離O點處為r的P點處的電勢為OqPQRrRQqr求兩球電荷面密度和曲率半徑的關(guān)系導(dǎo)體的表面場強σSBAq1q2例:兩塊大導(dǎo)體平板,面積為S,分別帶電q1和q2,兩極板間距遠小于平板的線度。求平板各表面的電荷密度。解:電荷守恒:由靜電平衡條件,導(dǎo)體板內(nèi)E=0

2

3

4

1五、電容器之電容

A

B+q-q1、孤立導(dǎo)體的電容2、平板導(dǎo)體的電容3、球形導(dǎo)體的電容4、圓柱形導(dǎo)體的電容例、半徑都是R的兩根無限長均勻帶電導(dǎo)線,其電荷線密度分別為+

和-,兩直導(dǎo)線平行放置,相距為d(d>>R).試求該導(dǎo)體組單位長度的電容。xdR+

-x例、一電容器由兩根很長的同軸簿圓筒組成,內(nèi)外半徑分別為R1和R2,電容器接在電壓為U的電源上,試求距離軸線為R處A點的EA和A點與外筒之間的電勢差。R1R2U解:r電容器的串并聯(lián)U++++____++++____qq-q-qU1U2C1C2U++++____q1UC1++++____q2-qC2靜電場中的電介質(zhì)分子中的正負電荷束縛的很緊,介質(zhì)內(nèi)部幾乎沒有自由電荷。電介質(zhì)的特點:電介質(zhì):電阻率很大,導(dǎo)電能力很差的物質(zhì),即絕緣體。(常溫下電阻率大于107歐·米)一電介質(zhì)的極化兩大類電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu):分子的正、負電荷中心在無外場時重合。不存在固有分子電偶極矩。1.無極分子:=H4CH2O分子的正、負電荷中心在無外場時不重合,分子存在固有電偶極矩。2.有極分子:=電偶極子3、無極分子的位移極化±±±±±±±±±±±±±±±E在外電場的作用下,介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。由于極化,在介質(zhì)表面產(chǎn)生的電荷稱為極化電荷或稱束縛電荷。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-4、有極分子的轉(zhuǎn)向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-EoFF+-Eo

無極分子在外場的作用下由于正負電荷發(fā)生偏移而產(chǎn)生的極化稱為位移極化。

有極分子在外場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的極化稱為轉(zhuǎn)向極化。5介質(zhì)對電容的影響平板電容器中有n層介質(zhì),則其D是否相同??εε0ε0σσ=dd12+rN層??例:在空氣平行板電容中,平行插入一塊各向同性的電介質(zhì)板,如圖所示,當電容器充電后,若忽略邊緣效應(yīng),電介質(zhì)中的場強E與空氣中的場強相比較,有E0EE<E0例:

真空中,半徑為R1和R2的兩個導(dǎo)體球,相距很遠,則兩球的電容之比C1/C2=?;當用細線將兩球相連后,電容C=??,F(xiàn)給其帶電,平衡后兩球表面附近場之比E1/E2=?R1/R2,R2/R1答案:例:兩個電容器1和2串聯(lián)以后接上電源充電,在電源保持接的情況下,若把介質(zhì)充入電容器2中,則電容器1的電勢差如何變化?電容器1上的電量又如何變化?(填增大,減小,不變)UC1C212例:1,2是兩個完全相同的空氣電容器,將其充電后與電源斷開,再將一塊各向同性介質(zhì)板插入電容器1的兩個極板,則電容器2的電壓U2、電場能量W2如何變化?(增大,減少,不變)(答案:U2減少,W2減少)12Uq1=C1Uq2=C2U例、兩只電容器,C1=8F,C2=2F,分別把它們充電到1000V,然后將它們反接(如圖所示),此時兩極板間的電勢差為:(A)、0V;(B)、200V;(C)、600V;(D)、1000VC1C2+-+-例:求電量為q的平板電容器極板之間的作用力?AB七靜電能、電場能量和電容器的能量介質(zhì)對電容器的影響例、設(shè)想從無限遠處陸續(xù)移來微量電荷使一半徑為R的導(dǎo)體球帶電。(1)當球上已帶有電荷q時,再將一個電荷元dq從無限遠處移到球上的過程中,外力作多少功?(2)使球上電荷從壤協(xié)零開始增加到Q的過程中,外力作多少功?解:(1)設(shè)無窮遠處的電勢為零,則帶電量為q的導(dǎo)體球,其電勢為:將dq從無窮遠處搬到球上的過程中,外力作功為(2)外力作的總功為試比較均勻帶電球面和均勻帶電球的電場能E=0均勻帶電球面和均勻帶電球外的電場分布相同,因此后者的電場能大于前者的電場能.例、

真空中一半徑為a,帶電量為Q的均勻球體的靜電場能。解:球內(nèi)場強:aQ球外場強:靜磁場與時變場一磁場中的高斯定理:對任一封閉面的磁通量均為零此式表明磁場是一無源場二B—S定律的應(yīng)用+aββdB12I無限長直導(dǎo)線圓電流軸線上的磁場圓電流中心的磁場電流的磁矩線圈的力矩螺線管為無限長時細螺繞環(huán)的磁場與上相同各種線圓等導(dǎo)線組成的電流系統(tǒng)的磁場oacbe12oacbe12如圖求O點的場強三安培環(huán)路定理I繞向方行I繞向方行電流I取負值電流和回路繞行方向構(gòu)成右旋關(guān)系的取正值I(b)I1I2(a)l1安培環(huán)路定理的應(yīng)用1長直導(dǎo)線2圓柱體3圓筒4螺線管5螺繞環(huán)6無限大電流平面無限長圓柱體導(dǎo)線無限大電流平面abcd四洛侖茲力、安培定律的應(yīng)用PL均勻磁場中,閉合線圈受的磁場力為零導(dǎo)線之間的相互作用:求一導(dǎo)線在另一導(dǎo)線產(chǎn)生的場中的安培力七法拉第電磁感應(yīng)定律1、動生電動勢閉合回路的電動勢2、感生電動勢IavAB例.

一長直導(dǎo)線中通電流I=10A,有一長為L=0.2m的金屬棒與導(dǎo)線垂直共面。當棒以速度v=2m/s平行與長直導(dǎo)線勻速運動時,求棒產(chǎn)生的動生電動勢。dxx解:dABCbaVI求線圈ABC內(nèi)的感應(yīng)電動勢的大小o1o2BVABCDbat=0(A)、電動勢只在AB直線中產(chǎn)生;(B)、電動勢只在AB曲線中產(chǎn)生;(C)、電動勢在AB直線和曲線中產(chǎn)生且大小相等;(D)、AB中的電動勢小于曲線中的電動勢。AB(D)ABCA八自感與互感和磁場能量求1中的感生電動勢的大小abc12解:設(shè)1中通有電流I1,則2中的磁通量為:九麥克斯韋方程的積分形式十位移電流電容器中的位移電流等于導(dǎo)線中的電流??+++++-----十一平面簡諧電磁波的性質(zhì)vEH無限大均勻絕緣介質(zhì)(或真空中)傳播的平面簡諧電磁波的性質(zhì):2.E與H同步變化3.電磁波是一橫波EHεμ=

1.。4E、H、v兩兩垂直,且三者成右旋關(guān)系十二坡印亭矢量的定義及其物理意義?電磁能流密度:單位時間內(nèi)通過垂直單位面積內(nèi)的電磁場能量。E,H,S三者兩兩垂直1、對于單匝線圈取自感系數(shù)的定義為L=

/I。當線圈的幾何形狀、大小及周圍磁介質(zhì)分布不變,且無鐵磁質(zhì)時,若線圈中的電流強度變小,則線圈的自感系數(shù)L(A)、變大,與電流成反比關(guān)系(C)、不變(D)、變大,但與電流不成反比關(guān)系(B)、變小(C)2、一個中空的螺繞環(huán)上每cm繞有20匝導(dǎo)線,當通以電流I=3A時,環(huán)中磁場能量密度w=bclB3、如圖所示,直角三角形金屬架abc放在均勻磁場中,磁場B平行于ab邊,bc的長度為l。當金屬框繞ab邊以勻角速度轉(zhuǎn)動時,abc回路的感應(yīng)電動勢和a,c兩點間的電勢差Ua-Uc為(B)a4、如圖,平板電容器(忽略邊緣效應(yīng))充電時,沿環(huán)路L1、L2磁場強度H的環(huán)流中,必有:L2L1(C)5、兩根長直導(dǎo)線通有電流I,圖示有三種環(huán)路,在每種情況下,(對環(huán)路a)(對環(huán)路b)(對環(huán)路c)bac06、如圖,求O點的磁感應(yīng)強度。dR3127、一質(zhì)量為m,電量為q的粒子,以速度V垂直入射磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場內(nèi),粒子運動所包圍范圍內(nèi)的磁通量與B的大小的關(guān)系曲線是:ABCD[C]8、用細導(dǎo)線密繞成的長為l,半徑為a(l>>a),總匝數(shù)為N的螺線管中,通以電流I,當管內(nèi)充滿相對磁導(dǎo)率為

r的均勻磁介質(zhì)后,管中任一點的H=,B=9、一載有電流I的細導(dǎo)線分別均勻密繞在半徑為R和r的長直圓筒上形成兩個螺線管(R=2r),兩螺線管單位長度上的匝數(shù)相等,兩螺線管的磁感應(yīng)強度大小BR與Br的關(guān)系式為。10、長直電流I2與圓形電流I1共面,并與其一直徑相重合,如圖(但兩者絕緣),設(shè)長直電流不動,則圓形電流將如何運動?答案:向右運動11、一長直導(dǎo)線,沿空間直角坐標Oy軸放置,電流沿y軸正方向,在原點o處取一電流元Idl,則該電流元在(a,0,0)點處的磁感應(yīng)強度的大小為(a,0,0)xyzo

答案:12、把輕的導(dǎo)線圈用線掛在磁鐵N極附近,磁鐵的軸線穿過線圈中心,且與線圈在同一平面內(nèi),如圖所示,當線圈內(nèi)通以如圖所示方向的電流時,線圈將如何運動?NS

答案:線圈將轉(zhuǎn)動,同時靠近磁鐵13、將一個通電流強度為I的閉合回路放在均勻磁場中,回路所包圍面積的法向與磁場方向成角,若通過此回路的磁通為,則回路所受力矩的大小是多少?

nB14、如圖1所示,兩個半圓共面,則O點處的磁感應(yīng)強度為多少?如圖2所示,兩個半圓面正交,則O點處的磁感應(yīng)強度為多少?xyzII15、如圖,兩個半徑為R的相同金屬環(huán)在a、b兩點相接觸(a、b連線為環(huán)的直徑),并相互垂直放置,電流由a點流入,b端流出,則環(huán)中心o點的磁感應(yīng)強度的大小為:答案:016、有一半徑為R的單匝圓線圈,通以電流I,若將該導(dǎo)線彎成N=2匝的平面線圈,導(dǎo)線長度不變,通以同樣的電流,則線圈中心的磁感應(yīng)強度和線圈的磁矩分別是原來的幾倍?17、在均勻磁場中,有兩個平面線圈,其面積A1=2A2,通有電流I1=2I2,則它們所受的最大力矩之比是多少?18、無限長直圓柱體內(nèi)通有均勻分布的電流I,則其內(nèi)外磁場分布為:r18、兩根長直導(dǎo)線沿半徑方向引到鐵環(huán)上A、B兩點,并與很遠的電源相連,如圖所示。求:環(huán)中心的磁感應(yīng)強度。ABIIO解:òBI10dlmπ40r2=1l1==I1I2R2R1l2l10=B=B1B2òBI20dlmπ40r2=2l2ABIOIl21l21Il=I21l2119.用兩根彼此平行的半無限長直導(dǎo)線L1和L2把半徑為R的均勻?qū)w圓環(huán)聯(lián)到電源上,如圖所示。已知直導(dǎo)線上的電流為I。求圓環(huán)中心點的磁感應(yīng)強度。R0baL1L212垂直紙面向外垂直紙面向里B1=0向外方向:垂直紙面向外Cd20、A和B為兩個正交放置的圓形線圈,其圓心相重合。A線圈半徑RA=0.2m,NA=10匝,通有電流IA=10A。B線圈半徑為RB=0.1m,NB=20匝。通有電流IB=5A。求兩線圈公共中心處的磁感應(yīng)強度。

IA

IB解:2m0=NARABAIA=10×10×4π×10-7

2×0.2=31.4×10-5T2m0=NBRABBIB=20×5×4π×10-7

2×0.1=6.28×10-5T=+BBA2BB2=7.0×10-4T21、一根很長的銅導(dǎo)線,載有電流10A,在導(dǎo)線內(nèi)部通過中心線作一平面S如圖所示。試計算通過導(dǎo)線1m長的S平面內(nèi)的磁感應(yīng)通量。ISΦ0òBld=Rx=π2RIx2m0l0òdRx=π4Im0l=4π×10-7×10×14π解:π2RIx2=m0B1.0×10-6Wb=22、一螺線管長為30cm,直徑為15mm,由絕緣的細導(dǎo)線密繞而成,每厘米繞有100匝,當導(dǎo)線中通以2.0A的電流后,把這螺線管放到B=4.0T的均勻磁場中。求(1)螺線管的磁矩;(2)螺線管所受力矩的最大值。

解:NIS=pmπ30×10-2×100×=22×15×10-32=1.06A.mBsin2π=Mmaxpm=Bpm=0.44N.m例4、有一蚊香狀的平面

N匝線圈,通有電流I

,每一圈近似為一圓周,其內(nèi)外半徑分別為a

及b

。求圓心處P點的磁感應(yīng)強度。

Pab.Pab.drr解:24、在一磁感應(yīng)強度為B的水平的均勻磁場中,有一水平放置的均勻帶電的圓盤,電荷面密度為s,半徑為R

。它圍繞其鉛直軸線以角速度ω旋轉(zhuǎn)。求它所受到的磁力矩。ωRsB解:π2rqds=rdnId=qd=ωπ2π2rsrd=ωrsrdpm2d=Idπrsπ=ωrrd2r=ωs4πR4=MpmBsin900=41ωs4πRBò=ωsrd3πr0RpmBpmrdrRM25、無限多無限長導(dǎo)線,每根通過的電流為I,組成平面導(dǎo)線排,如圖所示。試證:這個:“無限長”電流片上下兩邊所有各點處的B的大小相等且有:I0xyrIabcd26、電流均勻地流過寬度為b的無限長平面導(dǎo)體薄板,電流為I,沿板長方向流動。求:IPbb.在薄板平面內(nèi),距板的一邊為b的P點處的磁感應(yīng)強度;解:Ibd=Ixdπ2xm0Bd=Idπ2bm0=Ixxd2Bπ2bm0=Ixxdòbb=π2bm0Iln2IPbb.xxd27、有兩個長度相同匝數(shù)也相同、截面積不同的長直螺線管,通以相同大小的電流?,F(xiàn)將小螺線管(兩者的軸重合),則使兩者產(chǎn)生的磁場方向一致,而小螺線管內(nèi)的磁場能量密度是原來的幾倍?若使兩者產(chǎn)生的電流方向相反,是小螺線管內(nèi)的磁場能量密度是多少?4倍,028、有兩個長直螺線管,長度及線圈匝數(shù)均相同,半徑分別為r1和r2,管內(nèi)充滿均勻介質(zhì),其磁導(dǎo)率為

1和

2.設(shè)

1:2=2:1,r1:r2=1:2,當將兩只螺線管串聯(lián)在電路中通電穩(wěn)定后,L1:L2=?Wm1:Wm2=?L1:L2=1:2Wm1:Wm2=1:229、H的單位是什么?的單位是什么?A/mT.m/A30、平板電容器,從q=0開始充電,試畫出充電過程中,極板間某點的電場強度方向和磁場強度方向.i31、如圖。求三角形中心點O處的磁感應(yīng)強度。oacbe12oacbe1232、無限長載流空心圓柱體的內(nèi)外半徑分別為a和b,電流均勻分布,則空間各處的B的大小與場點到圓柱中心軸線的距離r的關(guān)系定性地如哪個圖所示。rBabrBabrBabrBab(A)(B)(C)(D)(B)ab0討論:所以選(B)33、一個塑料圓盤,半徑為R,電荷q均勻分布在表面,圓盤繞通過圓心垂直盤面的軸轉(zhuǎn)動,角速度為ω

。求:圓盤中心處的磁感應(yīng)強度。ωRqπσ2rqd=rdm0Bd=2rIdnId=qdòBπσrdnm0=0R=πσnm0R=πσrdnm0πσ2r=rdnπ2=σRq解:ωn=π2=πm0R2ωqRdrrω34、如圖所示,一電荷線密度為的長直帶電線(與一正方形線圈共面并與其一對邊平行)以變速度V=V(t)沿著長度方向運動。正方形線圈的總電阻為R,求t時刻正方形線圈中感應(yīng)電流I(t)(不計線圈自感)。aaa解:順時針逆時針drrr35、一內(nèi)外半徑分別為R1和R2的帶電平面圓環(huán),電荷面密度為

,其中心有一半徑為r的導(dǎo)體小環(huán)(R1,R2>>r)二者同心共面如圖,設(shè)帶電圓環(huán)以變角速度(t)繞垂直于環(huán)面中心軸旋轉(zhuǎn),導(dǎo)體小環(huán)中的感應(yīng)電流I等于多少?方向如何?(已知小環(huán)的電阻為R0)rdx解:在R1和R2之間取一寬度為dx的環(huán)帶,環(huán)帶內(nèi)有電流

dI在o

點處產(chǎn)生的磁場為選逆時針方向為小環(huán)回路的方向,則小環(huán)中的磁通量近似為方向為順時針方向為逆時針rdx36、無限長直導(dǎo)線,通以電流I,有一與之共面的直角三角形線圈如圖ABC。已知AC邊長為b,且與長直線平行。BC邊長為a,若線圈以垂直導(dǎo)線方向的速度V向右平移,當B點與長直導(dǎo)線的距離為d時,求線圈ABC內(nèi)的感應(yīng)電動勢的大小和方向。dABCbaIdABCbaVIdlxxdx解:37、如圖所示,長直導(dǎo)線AB中的電流I沿著導(dǎo)線向上,并以dI/dt=2A/s的速率均勻增長,在導(dǎo)線附近放一

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