大学课件物理学：第七章恒定磁场

恒定磁场第七章1,7-0教学基本要求7-1恒定电流7-2电源电动势7-3磁场磁感强度7-4毕奥-萨伐尔定律7-5磁通量磁场的高斯定理7-6安培环路定理7-7带电粒子在电场和磁场中的运动本章目录7-8载流导线在磁场中所受的力7-9磁场中的磁介质2,7-0教学基本要求二掌握描述磁场的物理量——磁感强度的概念。三理解毕奥－萨伐尔定律及其磁感强度的计算。一理解恒定电流、电流密度和电动势的概念。五理解洛伦兹力和安培力的公式。四理解稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理.六了解磁介质的磁化现象及其微观解释.3,一电流电流密度++++++电流强度：通过截面S的电荷随时间的变化率:电子漂移速度的大小电流密度：单位时间垂直通过单位面积的电量.4,5,非静电力:能不断分离正负电荷使正电荷逆静电场力方向运动.电源：提供非静电力的装置.非静电电场强度:为单位正电荷所受的非静电力.+++---+6,电动势的定义：单位正电荷绕闭合回路运动一周，非静电力所做的功.+++---+电源电动势电源电动势的大小，等于将单位正电荷从负极经电源内部移至正极时非静电力所作的功.7,1600年吉尔伯特论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体1800年伏打发明电堆，获得产生稳定电流的方法1820年奥斯特发现电流的磁效应1831年法拉第发现电磁感应现象1822年安培安培力分子电流观点磁学简史：战国时期——有文字记载“磁石”东汉时期王充“司南”指南的记载描述；11世纪指南针“以磁石磨针锋,则能指南”(沈括)1833年楞次楞次定律1873年麦克斯韦电磁学通论1888年赫兹证实电磁波的存在慈石：以为母也，故能引其子7-3磁场磁感应强度8,一、基本磁现象SNSN同极相斥异极相吸天然磁石磁性磁极,ISN1820年奥斯特发现电流的磁效应同年安培发现载流导线及线圈受到磁力的作用,电子束NS+在磁场中的载流线圈受到力矩的作用转动,在磁铁、运动电荷（或电流）周围空间存在的一种特殊形式的物质。（比较电场的引入）1、磁场的概念磁场对磁体、运动电荷或载流导线有磁场力的作用；载流导线在磁场中运动时，磁场力要作功——磁场具有能量。2、磁场的特性二、磁场磁感应强度运动电荷磁铁电流运动电荷磁铁磁场电流,磁感应强度的定义:实验:运动电荷在磁场中受力：=0°时,f=0=90°时,f最大1)3)2)只与磁场的性质有关结论:,1.磁感应强度(定义):大小:方向:沿运动电荷不受磁场力时的速度线大小洛仑兹力:+方向,IP.7-4毕奥---萨伐尔定律一、毕奥---萨伐尔定律电流元θ有限长载流导线:方向判断：——右手定则毕奥-萨伐尔定律:θ—真空磁导率15,例1载流长直导线的磁场.解二毕奥－萨伐尔定律应用举例方向均沿x轴的负方向PCD*16,的方向沿x轴负方向PCD*17,无限长载流长直导线PCD×半无限长载流长直导线18,无限长载流长直导线的磁场IBIBX电流与磁感强度成右手螺旋关系19,例2圆形载流导线轴线上的磁场.p*解I分析点P处磁场方向得：由对称性可知，总场强沿x方向,p*I21,讨论R(c)oI×o(b)RI×（1）IRo(a)xoI(5)*,p*I讨论（2）三磁偶极矩IS物质磁性起源的基本单元,如图所示，有一长为l，半径为R的载流密绕直螺线管，螺线管的总匝数为N，通有电流I.设把螺线管放在真空中，求管内轴线上一点处的磁感强度.例3载流直螺线管内部的磁场.PR××××××××××××××*24,螺线管可看成圆形电流的组合解：由圆形电流磁场公式R××××××××××××××*O得：25,讨论（1）无限长的螺线管故（2）半无限长螺线管一端R××××××××××××××*P26,向里向外27,向里2128,B29,030,圆电流的半径一样31,四运动电荷的磁场S运动电荷的磁场32,一．磁感应线：为形象地描述空间中磁场的分布而引入的曲线。磁感应线上任一点切线的方向——B的方向。方向：切线一磁感线33,I直线电流的磁力线圆电流的磁力线I通电螺线管的磁力线(1)、磁场线为环绕电流的闭合曲线，磁场是涡旋场。(2)、任意两条磁场线在空间不相交。(3)、磁场线的环绕方向与电流方向可用右手定则表示。(4)、磁场线的疏密定性反映磁场的强弱34,SN磁性起源的微观机制35,条形磁铁与通电螺线管的磁力线安培：一切磁现象的根源是电流，物质的磁性来源于分子电流36,二磁通量磁场的高斯定理磁场中某点处垂直矢量的单位面积上通过的磁感线数目等于该点的数值.37,磁通量：通过某曲面的磁感线数匀强磁场中，通过面元ds的磁通量：通过曲面S的磁通量38,物理意义：通过任意闭合曲面的磁通量必等于零（故磁场是无源的）.磁场高斯定理任意闭合曲面的磁通量39,1240,041,例如图载流长直导线的电流为，试求通过矩形面积的磁通量.解xdx42,一安培环路定理o若回路绕向为逆时针o43,垂直于导线平面上任意形状的回路:推广(证明略):.LI(1)对空间任意形状的回路成立(2)对空间任意载流导线成立44,电流在回路之外环流与环路外电流无关45,多电流情况:46,安培环路定理在真空的恒定磁场中，磁感强度沿任一闭合路径的积分的值，等于乘以该闭合路径所穿过的各电流的代数和.电流正负的规定：与成右螺旋时，为正；反之为负.注意47,例1无限长载流圆柱体的磁场解（1）.（2）二安培环路定理的应用举例,的方向与成右螺旋49,例2无限长载流圆柱面的磁场解50,51,例3求载流螺绕环内的磁场解（1）对称性分析：环内线为同心圆，环外为零.52,令（2）选回路当时，螺绕环内可视为均匀场.L53,一带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力磁场力（洛伦兹力）运动电荷在电场和磁场中受的力+54,二带电粒子在磁场中运动举例1回旋半径和回旋频率55,2磁聚焦（洛伦兹力不做功）洛伦兹力与不垂直螺距56,磁聚焦在均匀磁场中点A发射一束初速度相差不大的带电粒子，它们的与之间的夹角不同，但都较小，这些粒子沿半径不同的螺旋线运动，因螺距近似相等，相交于屏上同一点，此现象称为磁聚焦.应用电子光学，电子显微镜等.57,3电子的反粒子电子偶显示正电子存在的云室照片及其摹描图铝板正电子电子1930年狄拉克预言自然界存在正电子58,1质谱仪7072737476锗的质谱...................................................................+-速度选择器照相底片质谱仪的示意图三带电粒子在电场和磁场中运动举例59,2回旋加速器1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器,1939年劳伦斯获诺贝尔物理学奖.60,频率与半径无关回旋加速器原理图NSBO~N××××××××××××××××T~受相对论效应约束，当不是常量时，其基本原理不再满足。61,地下100米周长27km欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机（ATLAS）瑞士日内瓦62,大型强子对撞机内部一览63,3霍耳效应64,霍耳系数I霍耳电压++++++-----65,I++++---P型半导体+-霍耳效应的应用（2）测量磁场霍耳电压（1）判断半导体的类型+++---N型半导体-I+-66,一安培力S洛伦兹力安培力有限长导线长直载流导线：67,解取一段电流元例1求如图平面载流导线在均匀磁场中所受的力，已知和.PL结论与OP载流直导线所受的磁场力相同.68,例2如图一通有电流的闭合回路放在磁感应强度为的均匀磁场中，回路平面与磁感强度垂直.回路由直导线AB和半径为的圆弧导线BCA组成，电流为顺时针方向，求磁场作用于闭合导线的力.ABCor解69,例：如图所示，求垂直于磁场圆形线圈的张力TT解：依题意可知，上面半圆导线受到向上的安培力，大小为：FABRO上面半圆导线受到向下的张力为2T（T为张力）即：故导线内部张力为：70,二磁场作用于载流线圈的磁力矩如图均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOPMNOPI线圈所受合力为零:M,NO,P71,线圈有N匝时M,NO,PMNOPI线圈所受力矩:72,IB.....................IB××××××××××××××××××××××××BI稳定平衡不稳定平衡讨论（1）与同向（2）方向相反（3）方向垂直力矩最大73,结论:均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为74,垂直时:(A)(B)(C)(D)75,一磁介质磁化强度介质磁化后的附加磁感强度真空中的磁感强度磁介质中的总磁感强度1磁介质铁磁质（铁、钴、镍等）顺磁质抗磁质（铝、氧、锰等）（铜、铋、氢等）弱磁质76,分子圆电流和磁矩无外磁场顺磁质的磁化有外磁场顺磁质内磁场2顺磁质和抗磁质的磁化77,抗磁质内磁场同向时反向时抗磁质的磁化78,1铁磁质的磁化机理-------磁畴无外磁场有外磁场3.铁磁质实验发现有一类介质在外加磁场时，其介质的磁场铁磁质（Fe、Co、Ni）79,3磁化强度分子磁矩的矢量和体积元磁介质中单位体积内分子的合磁矩.意义反映介质磁化程度的物理量80,二磁介质中的安培环路定理(由特例推出)++++++++++++ADBCCB分子磁矩,各向同性磁介质（磁化率）磁场强度磁介质中的安培环路定理,各向同性磁介质相对磁导率磁导率顺磁质（非常数）抗磁质铁磁质83,例1有两个半径分别为和的“无限长”同轴圆筒形导体，在它们之间充以相对磁导率为的磁介质.当两圆筒通有相反方向的电流时，试求（1）磁介质中任意点P的磁感应强度的大小；（2）圆柱体外面一点Q的磁感强度.II84,解（1）II（2）85,86,例一环形螺线管，管内充满磁导率为μ，相对磁导率为μr的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为n。求：环内的磁场强度和磁感应强度解：9/3/202187,88,89,2磁化曲线磁滞回线θ4006008001000H/(Am-1)15105B/10-4TB=f(H)顺磁质的B-H曲线0顺磁质抗磁质>1顺磁质<1抗磁质90,初始磁化曲线.......矫顽力饱和磁感应强度磁滞回线剩磁铁磁质的磁滞回线9/3/202191,3铁磁性材料O软磁材料O硬磁材料电磁铁、变压器交流电动、发电机O矩磁铁氧体材料CF永磁体存储元件92