高二物理竞赛：磁场和磁感应强度课件.pptx
13-2-1 磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度 一、磁现象一、磁现象 (magnetic phenomenon) 磁现象的发现比电现象早很多。东汉王充磁现象的发现比电现象早很多。东汉王充“司司南勺南勺”，北宋沈括航海用指南针，北宋沈括航海用指南针“四大发明四大发明”。磁极磁极：如果把条形磁铁去靠近铁屑，我们发现，大：如果把条形磁铁去靠近铁屑，我们发现，大量的铁屑会吸附在磁铁的两端。这表明条形磁铁两量的铁屑会吸附在磁铁的两端。这表明条形磁铁两端的端的磁性最强，称为磁极，磁铁都具两个磁极磁性最强，称为磁极，磁铁都具两个磁极。如。如果用细线缚住条形磁铁的中部，将它水平地悬挂起果用细线缚住条形磁铁的中部，将它水平地悬挂起来并能在水平面内自由转动，最后它必定停止转动，来并能在水平面内自由转动，最后它必定停止转动，一端指向北方，另一端指向南方。指向北方的磁极一端指向北方，另一端指向南方。指向北方的磁极称为磁北极，或称为磁北极，或N极；指向南方的磁极称为磁南极，极；指向南方的磁极称为磁南极，或或S极。极。1 与电荷之间存在相互作用一样，任何两个磁极之与电荷之间存在相互作用一样，任何两个磁极之间也存在相互作用，同号磁极互相排斥，异号磁极互间也存在相互作用，同号磁极互相排斥，异号磁极互相吸引。与电荷周围存在电场一样，在磁极周围也存相吸引。与电荷周围存在电场一样，在磁极周围也存在磁场，并且，凡是处于该磁场中的任何其他磁极或在磁场，并且，凡是处于该磁场中的任何其他磁极或运动电荷，都要受到磁场的作用力，这种作用力称为运动电荷，都要受到磁场的作用力，这种作用力称为磁场力，或磁力。所以，磁场力是通过磁场这种特殊磁场力，或磁力。所以，磁场力是通过磁场这种特殊物质传递的。物质传递的。 1820年奥斯特年奥斯特发现电流的磁效应后，人们才认识发现电流的磁效应后，人们才认识到磁与电的密切联系。到磁与电的密切联系。 对磁现象的研究是很早的，而且开始时是与电对磁现象的研究是很早的，而且开始时是与电现象分开研究的。现象分开研究的。 2 他在实验中发现，通有电流的导线（也叫载流他在实验中发现，通有电流的导线（也叫载流导线）附近的磁针，会受力而偏转。导线）附近的磁针，会受力而偏转。1820年年7月月21日，他在题为电流对磁针作用的实验小册子里，日，他在题为电流对磁针作用的实验小册子里，宣布了这个发现。这个事实表明电流对磁铁有作用宣布了这个发现。这个事实表明电流对磁铁有作用力，电流和磁铁一样，也产生磁现象。因为电流是力，电流和磁铁一样，也产生磁现象。因为电流是由运动电荷引起的，所以在运动电荷周围也存在磁由运动电荷引起的，所以在运动电荷周围也存在磁场。场。 1820年年8月，奥斯特又发表了第二篇论文，他指月，奥斯特又发表了第二篇论文，他指出：放在马蹄形磁铁两极间的载流导线也会受力而出：放在马蹄形磁铁两极间的载流导线也会受力而运动。这个实验说明了磁铁对运动的电荷有作用力。运动。这个实验说明了磁铁对运动的电荷有作用力。3 对此，安培对此，安培提出提出一切磁现象都起源于电流，一切磁现象都起源于电流，一切物质的磁性都起源于构成物质的分子中存在一切物质的磁性都起源于构成物质的分子中存在的环形电流。的环形电流。这种环形电流称为这种环形电流称为分子电流分子电流。 安培分子电流假说安培分子电流假说与近代关于原子和分子结构与近代关于原子和分子结构的认识相吻合。原子是由原子核和核外电子组成的认识相吻合。原子是由原子核和核外电子组成的，电子的绕核运动就形成了经典概念的电流。的，电子的绕核运动就形成了经典概念的电流。 1820年年9月，法国人安培报告了通有电流的直月，法国人安培报告了通有电流的直导线间有相互作用的发现，并在导线间有相互作用的发现，并在1820年底从数字年底从数字上给出了两平行导线相互作用力公式。这说明了上给出了两平行导线相互作用力公式。这说明了二者的作用是通过它们产生的磁现象进行的。二者的作用是通过它们产生的磁现象进行的。4 物质磁性起源物质磁性起源不能完全用经典理论来描述。不能完全用经典理论来描述。量子理论表明，核外电子对磁性有一定的贡献，量子理论表明，核外电子对磁性有一定的贡献，但物质磁性的主要来源是电子的自旋磁矩，铁磁但物质磁性的主要来源是电子的自旋磁矩，铁磁物质的强烈磁性则与相邻原子间电子自旋磁矩的物质的强烈磁性则与相邻原子间电子自旋磁矩的交换作用有关。都不能用经典概念予以描述。交换作用有关。都不能用经典概念予以描述。 磁现象与电现象有很多类似，在自然界有独磁现象与电现象有很多类似，在自然界有独立存在的电荷，却至今没找到独立存在的磁荷，立存在的电荷，却至今没找到独立存在的磁荷，即所谓即所谓“磁单极子磁单极子”。 寻找寻找“磁单极子磁单极子”是当今科学界面临的重大是当今科学界面临的重大课题之一。课题之一。 5二、磁感应强度二、磁感应强度 (magnetic induction) 磁场磁场1、磁场：磁铁、运动电荷或电流周围也有一种场，、磁场：磁铁、运动电荷或电流周围也有一种场，称为磁场。称为磁场。2、磁场的主要表现、磁场的主要表现（1）力的表现：磁场对运动电荷或载流导体有作）力的表现：磁场对运动电荷或载流导体有作用力。用力。（2）功的表现：磁场对载流导体能做功。）功的表现：磁场对载流导体能做功。3、实验表明：磁场与电场一样，既有强弱，又有、实验表明：磁场与电场一样，既有强弱，又有方向。方向。6+qv BLF运动电荷在磁场中所受的磁场运动电荷在磁场中所受的磁场力称为力称为洛伦兹力。洛伦兹力。磁感应强度磁感应强度 为了描述磁场的性质，如同在描述电场性质时为了描述磁场的性质，如同在描述电场性质时引进电场强度时一样，也引进一个描述磁场性质引进电场强度时一样，也引进一个描述磁场性质的物理量。的物理量。用磁感应强度描述磁场状况的物用磁感应强度描述磁场状况的物理量，理量， 以矢量以矢量 表示。表示。 B磁感应强度可通过磁场对运动电荷的作用力来定义。磁感应强度可通过磁场对运动电荷的作用力来定义。 关于洛仑兹力，实验结果表明它与关于洛仑兹力，实验结果表明它与磁场的强弱及方向有关。磁场的强弱及方向有关。 ；71.任一点任一点P的磁感应强度的方向的磁感应强度的方向 当试探电荷当试探电荷q0以速度以速度v沿某特定直线通过磁场中沿某特定直线通过磁场中的点的点P时，作用于它的时，作用于它的洛伦兹力总等于零洛伦兹力总等于零，与试，与试探电荷的电量和运动速率无关。这条特定直线是探电荷的电量和运动速率无关。这条特定直线是点点P的磁场自身的属性，称为的磁场自身的属性，称为零力线零力线。 把这条直线规定为点把这条直线规定为点P的磁感应强度的方向的磁感应强度的方向。2. 点点P的磁感应强度的大小的磁感应强度的大小 电荷速度与该特定方向垂直时受到的磁力最大。电荷速度与该特定方向垂直时受到的磁力最大。 点点P磁感应强度的大小磁感应强度的大小BFq v=083. 点点P的磁感应强度的指向的磁感应强度的指向 B、v、F 满足右螺旋关系：满足右螺旋关系：正试探电荷所受洛伦兹力大正试探电荷所受洛伦兹力大小为小为F=q0vBsin sin0vqFBBvqF0vB单位单位特斯拉特斯拉(T),N s C-1 m-1,V s m-2,N A-1 m-1。vFmF9三、磁感应线和磁通量三、磁感应线和磁通量 磁场中某点磁场方向是确定的，磁场中某点磁场方向是确定的，磁磁感线不会相交感线不会相交。载流导线周围磁感线。载流导线周围磁感线都是围绕电流的都是围绕电流的闭合曲线闭合曲线，没有起点，没有起点，也没有终点。也没有终点。 磁感应线磁感应线(magnetic induction line)形象表示磁场分形象表示磁场分布状况：布状况：曲线上每点切线方向与该点磁感应强度曲线上每点切线方向与该点磁感应强度B方方向一致；在与磁场垂直的单位面积上穿过曲线的条向一致；在与磁场垂直的单位面积上穿过曲线的条数，与该处数，与该处B的大小成正比，即疏密程度反映出的大小成正比，即疏密程度反映出B的的大小。大小。 一簇磁感应线围成的管状区域称为一簇磁感应线围成的管状区域称为磁感应管磁感应管。 BI10 长直电流周围的磁感应线，在垂直长直电流周围的磁感应线，在垂直于电流的平面内磁感应线是一系列同于电流的平面内磁感应线是一系列同心圆，圆心在电流与平面的交点上。心圆，圆心在电流与平面的交点上。BI磁感线和电流满足右手螺旋法则。磁感线和电流满足右手螺旋法则。 为描述磁场的强弱，规定磁场中某点处垂直于为描述磁场的强弱，规定磁场中某点处垂直于B矢量的单位面积上通过的磁感线数目矢量的单位面积上通过的磁感线数目(磁感线密度磁感线密度)，等于该点等于该点B 的数值。的数值。 圆电流周围的磁感应线，在与圆面正交并过其圆电流周围的磁感应线，在与圆面正交并过其 直径的平面内，磁感应线是两簇环绕电流的曲线。直径的平面内，磁感应线是两簇环绕电流的曲线。 11 任意曲面任意曲面 S 的的磁通量磁通量(magnetic flux) 定义为，定义为， 曲面上任意一点的磁感应强度曲面上任意一点的磁感应强度B与该处面元与该处面元dS的标积的标积B dS 在整个曲面在整个曲面S上的代数和，即上的代数和，即SSBdBnPS 在国际单位制中，磁通量在国际单位制中，磁通量的单位是的单位是T m2，也称为，也称为Wb (韦伯韦伯)。 2m1T1Wb112 对闭合曲面，规定正法线方向垂直于曲面向外。对闭合曲面，规定正法线方向垂直于曲面向外。当磁感线从曲面内穿出时，磁通量为正，而当磁感当磁感线从曲面内穿出时，磁通量为正，而当磁感线从曲面外穿入时，磁通量为负。线从曲面外穿入时，磁通量为负。Bn 在不均匀磁场中，通过在不均匀磁场中，通过任意面积元的磁通量：任意面积元的磁通量： 在均匀磁场中通过面积在均匀磁场中通过面积S 的磁通量为：的磁通量为：cosBSSBSBdcosddSBSBSdcosd13 在水平放置的玻璃板上，撒上铁屑，使导体在水平放置的玻璃板上，撒上铁屑，使导体通过玻璃板并通上电流，铁屑在磁场的作用下变通过玻璃板并通上电流，铁屑在磁场的作用下变成小磁针，轻轻地敲击玻璃板，铁屑就会有规则成小磁针，轻轻地敲击玻璃板，铁屑就会有规则地排列起来，从而描绘出磁场的磁感线分布。下地排列起来，从而描绘出磁场的磁感线分布。下面是一根长直导线和螺线管的磁场用铁屑显示的面是一根长直导线和螺线管的磁场用铁屑显示的磁感应线。磁感应线。14(H.C.Oersted , 17771851)15
