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如何理解闭合电路中的感应电动势?

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-8 13:21 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览
用一个环形磁芯绕一个工频变压器,次级开路,用万用表是否能测出次级电压?

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逗你玩~~~| | 2014-7-8 13:48 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-8 13:21
用一个环形磁芯绕一个工频变压器,次级开路,用万用表是否能测出次级电压? ...

(近似)能测~~~

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-8 15:37 | 只看该作者
逗你玩~~~ 发表于 2014-7-8 13:48
(近似)能测~~~

那请问这个电压是因为使用万用表测量才有的,还是本来就存在的?

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逗你玩~~~| | 2014-7-8 16:04 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-8 15:37
那请问这个电压是因为使用万用表测量才有的,还是本来就存在的?

前面说了,严格意义下的纯电势(标量)只存在于保守电场中(一般电场是有源场和有旋场的叠加,其“势”分电标势和磁矢势两部分)。所以说,变压器输出就算开路其电势差严格意义下也不存在,因为有导线电容存在。

但是,由于变压器的磁场绝大部分都聚集在其磁芯内,漏磁几乎可以忽略,且如果电场的变化频率不太高,如此便可近视地认为所测范围内(在变压器外)是个似稳电场,故认为存在电势(差)。

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逗你玩~~~| | 2014-7-8 16:15 | 只看该作者
其实,为了解决这种理论上的困惑,才引入了“集总电路”的概念。但要明白,“集总电路”在现实中是不存在的,其只是某一类电路在特定条件下的近似数学模型而已~~~

不过,由于引入了“集总电路”模型,有了“电压”和“电流”以及相应的KVL和KCL,给电路分析提供了便捷的(近似)方法。

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-8 23:05 | 只看该作者
本帖最后由 eyuge2 于 2014-7-9 07:17 编辑

谢谢 逗你玩~~~ .
讲了这么些,实际上我还是没有理解。

1.能否详细讲一下第一个约束对“集总元件”的意义。第二个约束的意义个人理解是要求流入元件的电流等于流出元件的电流。
2.我看的书是anant agarwal的《模拟和数字电子电路基础》介绍的集总元件和集总电路的方面的内容。在“集总电路”的
第一个约束中,首先是环路的磁通变化为0,导致环路的电场沿闭合回路的线积分等于0,而这个环路积分被分解为各个元件的电压之和。
这让人很疑惑,环路中也是非保守场,何来的各个元件的电压值。
2.关于这个保守场、电势能否测量这类问题,是否有书籍或资料推荐。

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逗你玩~~~| | 2014-7-9 10:03 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-8 23:05
谢谢 逗你玩~~~ .
讲了这么些,实际上我还是没有理解。

Anant Agarwal 的书不错,但不算经典~~~

他说的三个“约束条件”,简单表述如下:

1)∂Φ/∂t = 0

2)∂q/∂t = 0

3)[波长] >> [电路长度]

下面简单说明一下:

一)磁场约束条件

由法拉第电磁感应定律

    ∮E•dl = - ∂Φ/∂t ≠ 0

这里的积分路径选择导线(含电感内的导线线圈)、电容介质、电阻以及其他器件等。显然,∂Φ/∂t不为零。现在把所有的磁通(或磁链)Φ归入电感,即认为磁场仅存在于电感内部,则将上式变化为

    ∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0

其中∂Φ/∂t表示电感两端的感应电动势。此式表明,集总电路元件“外面”的磁通变化率为零,即假设磁场为零。

二)电场约束条件

前面那个∂q/∂t = 0其实是说“封闭面”上的净电流为零。由高斯定律

    ∯E•ds = q/ε

可知,如果假设集总电路元件“外面”的电场为零,则其“封闭面”内的净电荷必然为零,即必有∂q/∂t = 0。

这里需要附加说明一个基本假设:如果某个物理量不随时间变化,且一般只关心其变化率所导致的效应,则可假设其为零。

三)似稳场约束条件

这个基本和前面相同,即

    [波长] >> [电路长度]

其实也正是由于存在着这个约束条件,“电路”的一般表述必然去除掉空间维度(想象成将其缩小成一个“点”)。


关于相关知识,可查阅《电磁学》和《电路》等类别的书籍。

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GavinZ| | 2014-7-9 15:41 | 只看该作者
本帖最后由 GavinZ 于 2014-7-9 15:44 编辑

把闭合路径设计成单位长度△R不相等的N段(N>1),能测量到第n段的电压吗:o:L

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-10 09:06 | 只看该作者
本帖最后由 eyuge2 于 2014-7-10 09:23 编辑
逗你玩~~~ 发表于 2014-7-9 10:03
Anant Agarwal 的书不错,但不算经典~~~

他说的三个“约束条件”,简单表述如下:

哈哈,敲了这些字还有符号,辛苦了。
1.∮E•dl = - ∂Φ/∂t ≠ 0
∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0
这两个表达式没有区别啊。是不是笔误,应该是E•dl = - ∂Φ/∂t = 0
2. 逗你玩~~~  对这个三个约束的解释是没有错。
我的问题是“第一个约束对集总元件的意义”,可能是我表达的不好,大家没有理解。
换句话说,如果第一约束不满足,难道电阻两端电压U,流过电阻的电流I,不满足U=R*I。
或者这种情况下电阻两端电压无法定义,或者没有意义?
3.如果不是没有特别的原因是否可以直接给出书名。特别是电路的书比较多,没有名字不好找
已有的电路书李瀚荪的《电路分析基础》、Anant Agarwal 的书和亚历山大的《电路基础》。都没有发现很好的解释

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逗你玩~~~| | 2014-7-10 09:53 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-10 09:06
哈哈,敲了这些字还有符号,辛苦了。
1.∮E•dl = - ∂Φ/∂t ≠ 0
∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0

这里没有笔误,说的是

    ∂Φ/∂t ≠ 0

但是

    ∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0

这就是所谓的KVL~~~

其实,磁场和电场都不可能为零,只是把它们都给“集总”在元件里了而已。


换句话说,如果第一约束不满足,难道电阻两端电压U,流过电阻的电流I,不满足U=R*I。
或者这种情况下电阻两端电压无法定义,或者没有意义?


设想一根“超导”线连接一个电阻两端,电路环内有磁通变化,显然电阻上必有电流。

按电势差(电压)定义,其为

    Uab = - ∫[a,b]E•dl

其中[a,b]为电阻的两端。

如果积分路径取电阻内,自然有Uab=IR。但是,若积分路径取“超导”线内,由于E为零得Uab为零,即IR=0,矛盾。


集总电路的概念就是要把那段“超导线”变成一个集总元件并将磁场全部包含在其内。这样,∂Φ/∂t变成了“超导线圈”(一个集总元件)内的磁通变化,而“电路”环(其实仅剩下连接关系)中并无磁通。

其实,所谓的 ∂Φ/∂t = 0 只是保留了空间概念后的一种无奈假设而已。若能将空间概念完全抛弃后,根本就无需此“约束条件”,所面对的仅仅是个数学模型。

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逗你玩~~~| | 2014-7-10 10:13 | 只看该作者
最后补充一句:

  如果你把《电路》当真了,那你就失败了~~~

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-10 12:26 | 只看该作者
本帖最后由 eyuge2 于 2014-7-10 12:30 编辑
逗你玩~~~ 发表于 2014-7-9 10:03
Anant Agarwal 的书不错,但不算经典~~~

他说的三个“约束条件”,简单表述如下:


我可能又是没有说清楚:∮E•dl = - ∂Φ/∂t ≠ 0,∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0 这两个表达式从数学角度讲没有什么区别,从前面的式子可以推导出后面的式子。不需要条件,也不需要假设。
“则将上式变化为∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0”,是啥意思。本来就是等效的,那里来的变化。你变化是强调物理意义的变化?

我提到的笔误是指由∮E•dl = - ∂Φ/∂t ≠ 0(元件外部存在变化的磁场)
转变到E•dl = - ∂Φ/∂t = 0(存加上了约束,元件外部不存在变化的磁场)

另外我一直强调的是对集总元件的约束,不是对集总电路的约束

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-10 12:36 | 只看该作者
本帖最后由 eyuge2 于 2014-7-10 12:51 编辑
逗你玩~~~ 发表于 2014-7-10 09:53
这里没有笔误,说的是

    ∂Φ/∂t ≠ 0

哈哈

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maychang| | 2014-7-10 12:37 | 只看该作者
“已有的电路书李瀚荪的《电路分析基础》、Anant Agarwal 的书和亚历山大的《电路基础》。都没有发现很好的解释”

从《电路》里面找不到。
需要到《电磁学》去找。而且不是工科普通物理,要到更深一些的教材里面找。

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maychang| | 2014-7-10 12:50 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-10 12:36
你举的超导的例子是不合适的。
“但是,若积分路径取“超导”线内,由于E为零得Uab为零”
如果我理解没有 ...

积分路径不在任何导线内,是想像中的实际不存在任何实体的一条闭合线,感应电动势依然存在。

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逗你玩~~~| | 2014-7-10 13:00 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-10 12:26
我可能又是没有说清楚:∮E•dl = - ∂Φ/∂t ≠ 0,∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0 这两个表达式从数学角度讲没 ...

这两个式子数学上等价,但物理解释不同。

前一个式子

    ∮E•dl = - ∂Φ/∂t

表示法拉第电磁感应定律,若存在电感线圈则积分路径沿导线走。

后一个式子

    ∮E•dl + ∂Φ/∂t = 0

表示的是“基尔霍夫电压定律”,那个磁通(或磁链)的时间导数变成了电感(集总元件)两端的“电压”,而集总元件外并无磁通(即无磁场)。


另外我一直强调的是对集总元件的约束,不是对集总电路的约束

集总电路就是由集总元件连接(注意没有具体连线)而成的电路。其中 ∂Φ/∂t = 0 就是对“集总电路”(认为其具有空间广延性)的约束~~~

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maychang| | 2014-7-10 13:06 | 只看该作者
楼主怎么把“你举的超导的例子是不合适的……”那帖删了?

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-10 18:00 | 只看该作者
maychang 发表于 2014-7-10 13:06
楼主怎么把“你举的超导的例子是不合适的……”那帖删了?

超导的例子中说超导体中的E为0,我不太确定这是对的还是错的。

如果变化的磁场中,存在一段不闭合的超导。这种情况下,不能一概而论说沿超导路径的感应电场强度的线积分为0。
沿这个路径的积分与超导存不存在没有关系。这个超导不是闭合的,没有电流存在,也影响不了这个变化的磁场。

若超导是闭合的,对这个变化磁场的产生什么样的影响就不太清楚了。

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maychang| | 2014-7-10 18:07 | 只看该作者
eyuge2 发表于 2014-7-10 18:00
超导的例子中说超导体中的E为0,我不太确定这是对的还是错的。

如果变化的磁场中,存在一段不闭合的超导 ...

“超导的例子中说超导体中的E为0,我不太确定这是对的还是错的。”

百分百正确。
不是超导,普通的导体(具有有限电阻率)在场的变化不太快时(似稳场),导体中的E也为零。

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eyuge2|  楼主 | 2014-7-10 23:05 | 只看该作者
本帖最后由 eyuge2 于 2014-7-10 23:24 编辑
maychang 发表于 2014-7-10 18:07
“超导的例子中说超导体中的E为0,我不太确定这是对的还是错的。”

百分百正确。


积分路径不在任何导线内,是想像中的实际不存在任何实体的一条闭合线,感应电动势依然存在。

“超导的例子中说超导体中的E为0,我不太确定这是对的还是错的。”

百分百正确。

这两个不矛盾吗。假设变化的磁场中,没有导体,沿着半径为r的路径积分,就算是半圈吧,肯定得到个电动势。
现在我在这个路径上,放个半圈的超导,其内部电场强度E为0.同样的路径积分,电动势变成0.
合理吗?

请别这样说:
因为这个超导或者导体不是闭合,所以其内部除了有旋电场外,还存在静电场,这两个电场叠加的结果是总的电场强度为0。也就是说这个导体在磁场中是个等势体。

要计算导体的电动势的时候,就不考虑静电场的存在了,直接对感应电场强度积分就行了。或者说这个电动势还要分为感应电动势和静电势。
感应电动势是感应电场强度的线积分。

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