磁的基本现象和基本规律ppt课件.ppt

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1、第二章第二章 恒磁场恒磁场1 磁的基本现象和基本规律磁的基本现象和基本规律2 磁感应强度磁感应强度 毕奥毕奥 萨伐尔定律萨伐尔定律3 安培环路定理安培环路定理4 磁场的磁场的“高斯定理高斯定理” 磁矢势磁矢势5 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用6 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动21 1、掌握磁感强度的概念、掌握磁感强度的概念2 2、能用毕奥、能用毕奥-萨伐尔定律计算简单电流的磁场分布萨伐尔定律计算简单电流的磁场分布3 3、理解和掌握磁场的高斯定理及安培环路定理、理解和掌握磁场的高斯定理及安培环路定理4 4、掌握洛仑兹公式、掌握洛仑兹公式教学要求教学要求3一、一、 磁的库仑

2、定律磁的库仑定律二二 、电流的磁效应、电流的磁效应三三 、安培定律、安培定律四、四、 电流的单位电流的单位 2.1 磁的基本现象与基本规律磁的基本现象与基本规律4早期认识：早期认识：我国在公元前六、七世纪古书中就有记载。我国在公元前六、七世纪古书中就有记载。早期应用：早期应用：司南勺、指南针司南勺、指南针磁石磁石：天然磁铁矿石 四氧化三铁 磁极磁极：南极S、北极N 指南针磁极相互作用磁极相互作用：同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引1.1、磁的基本现象、磁的基本现象5u 磁库仑定律：磁库仑定律：u 磁场强度：磁场强度：u 磁场的性质磁场的性质 高斯定理：高斯定理： 环路定理：环路定理：u 磁势与

3、磁场强度的关系：磁势与磁场强度的关系：0221041rrqquFmm0mqFHSmSquSdH010Ll dHmUH把电荷之间的相互作用与磁极之间的相互作把电荷之间的相互作用与磁极之间的相互作用类比，假入存在用类比，假入存在“磁荷磁荷”（qm）270/104AN6u 磁偶极子的磁势：磁偶极子的磁势：u 磁偶极层：磁偶极层：u 磁偶极子在外磁场中的受力：磁偶极子在外磁场中的受力：u 至今未找到磁单极至今未找到磁单极20041rrpuUmm04 uHmHpLm：磁偶极矩磁偶极矩 mmpq l7 奥斯特实验奥斯特实验1.2 电流的磁效应电流的磁效应 在历史上很长一段时期里，磁学和电学的研究一直彼此在

4、历史上很长一段时期里，磁学和电学的研究一直彼此独立地发展着，人们曾认为独立地发展着，人们曾认为“磁磁”与与“电电”是两类截然分是两类截然分开的现象。直到开的现象。直到1820年奥斯特发表了他的实验之后年奥斯特发表了他的实验之后电电与磁联系在一起。与磁联系在一起。 8磁针在导线的下面平行放置磁针在导线的下面平行放置A B的电流，从上往下看，的电流，从上往下看，磁针逆时针偏转磁针逆时针偏转B A的电流，从上往下看，的电流，从上往下看，磁针顺时针偏转磁针顺时针偏转9奥斯特实验表明奥斯特实验表明u长直载流导线使与之平行放置的磁针受力偏转电流的磁效应u磁针是在水平面内偏转的横向力u突破了非接触物体之间只

5、存在有心力的观念拓宽了作用力的类型意义意义:u揭示了电现象与磁现象的联系u宣告电磁学作为一个统一学科诞生u历史性的突破u此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮10磁铁对电流的作用磁铁对电流的作用通电导线受马通电导线受马蹄形磁铁作用蹄形磁铁作用而运动而运动11电流与电流之间的相互作用力电流与电流之间的相互作用力电流方向相同时电流方向相同时,相互吸引相互吸引;电流方向相反时电流方向相反时,相互排斥相互排斥;12载流线圈的行为载流线圈的行为螺线管与磁螺线管与磁铁相互作用铁相互作用时显示出时显示出N极和极和S极极13确定载流螺线管极性确定载流螺线管极性实验表明载流实验表明载流螺线管相当于磁螺线管相当于磁棒，螺

6、线管的极棒，螺线管的极性与电流成右手性与电流成右手螺旋关系螺旋关系右手螺旋法则：右手螺旋法则：用右手握住螺线管，弯曲的四指沿用右手握住螺线管，弯曲的四指沿电流回绕方向，将拇指伸直，拇指指向的方向就是电流回绕方向，将拇指伸直，拇指指向的方向就是螺线管的北极螺线管的北极14一系列实验表明磁铁 磁铁 电流 电流 都存在相互作用15 寻找电流元对磁极作用力的定量规律 认为电流对磁极的作用力是自然界的基本力 受Oester横向力的影响，认为每一个电流元对磁极的作用力也垂直于导线与磁极构成的平面 困难是无孤立的电流元 关键是找到几何关系Idldf 把电流分割成许多电把电流分割成许多电流元流元还和几何因素如

7、还和几何因素如 有关有关, r即解决了电流产生磁场的规律（见下节）即解决了电流产生磁场的规律（见下节）18安培的研究课题问题安培的研究课题问题 安培提出安培提出”磁铁和电流在本源上是否是磁铁和电流在本源上是否是一致的一致的?” 安培认为：安培认为：磁现象的本质是电流磁现象的本质是电流物质的磁性来源于物质的磁性来源于“分子分子”电流电流19分子分子”环流假说环流假说所谓所谓“分子分子”，是指构成物质的基元，当时，是指构成物质的基元，当时对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅 每个分子都有电流环绕着，当分子环流定向每个分子都有电流环绕着，当分子环流定向排列时，在宏

8、观上就显示出排列时，在宏观上就显示出N和和S极极 磁化可视为使物质中的分子电流取向一致磁化可视为使物质中的分子电流取向一致20 以“分子电流”取代磁荷 能解释磁棒与载流螺线管的等效性 可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用 提出寻找任意两个电流元之间作用力的定量规律即可解决磁相互作用的问题21困难 同样是无孤立的电流元 两电流元及两者连线三者不共面 涉及的几何因素更多，难度增大 安培精心设计了四个示零实验来解决这些困难22 无定向秤：在均匀磁场中（地磁场）不受力和力矩，可以随遇平衡；但对于非均匀磁场将会作出反应。 实验一：用对折导线，在其中通以大小相等、方向相反的电流把它移近无定向秤附近的

9、不同部位，观察无定向秤的反应结果：无定向称不动说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向数学表达： 成线性关系与221112dl、IdlIFd23 实验二：实验二：用载流曲折线对无定向秤作用，结果用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载流直导线的作用一样与载流直导线的作用一样说明说明电流元具有矢量性电流元具有矢量性, ,表为表为 2211l dIl dI、n实验三：实验三：n装置如图装置如图n只允许圆弧形导体沿其切线方只允许圆弧形导体沿其切线方 向运动而不允许圆弧形导体沿向运动而不允许圆弧形导体沿 着与其垂直的方向运动着与其垂直的方向运动n结果：圆弧导体不动结果：圆弧导体不动n说明：说明：作用在电流

10、元上的力是作用在电流元上的力是与它垂直的与它垂直的10212212ll dFdl dFd或或 实验四实验四 圆线圈圆线圈A、B、C线度线度之比为之比为1/n：1：n，A与与B的距离以及线圈的距离以及线圈B与与C的的距离比为距离比为1：n， A与与C固固定，并串联，其中电流相定，并串联，其中电流相同，线圈同，线圈B可以活动，通可以活动，通以另一电流以另一电流结果：结果：B不动不动结论：结论：所有几何线度增加所有几何线度增加同一倍数时，作用力的大同一倍数时，作用力的大小不变小不变212221112rdlIdlIdF 才能保持不变才能保持不变增加同一倍数增加同一倍数当当121221dFrdldl，、

11、安培给出的公式 根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿它根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿它们的联线，相当于承认们的联线，相当于承认 n假设的目的是假设的目的是期望期望电流元之间相互作用力满足电流元之间相互作用力满足牛顿第三定律，由此推出的公式牛顿第三定律，由此推出的公式1212rFd内含各项内含各项都是标量都是标量两者方两者方向相反向相反n实际实际没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，此条件应该此条件应该去掉去掉26安培定律 经过后人对安培的公式经过后人对安培

12、的公式修正、加工，得到现在修正、加工，得到现在的安培定律形式的安培定律形式 1 1、设、设dFdF1212为电流元为电流元1 1给电流元给电流元2 2的力，的力， dFdF1212的大小满足下式的大小满足下式221211212rdldlIIdF 把载流回路分割为电流元把载流回路分割为电流元27 2、dF12的大小还与两电流元的取向有关的大小还与两电流元的取向有关共面的情形共面的情形普遍的情形：普遍的情形：dl2不在不在dl1和和r12组成的平面组成的平面内内综合起来综合起来112sindF212sindF2221121122221121121212sinsinsinsinrdldlIIkdFr

13、dldlIIdF或者考虑方向：考虑方向：dF12的方向在的方向在dl1和和r12组成的组成的平面内，并与平面内，并与dl2垂直，即：垂直，即：,)(21212122112rrldldIIkFdn被被Maxwell誉为誉为“科学中最光辉的成就之一科学中最光辉的成就之一”nAmpere本人则被誉为本人则被誉为“电学中的电学中的Newton”29例题例题2：平行电流元之相互作用。平行电流元之相互作用。2112ddFF0d12F例题例题3：垂直电流元之相互作用。垂直电流元之相互作用。0d21F1. 两电流元之相互作用不满足牛顿第三运动定律；两电流元之相互作用不满足牛顿第三运动定律；2. 两闭合回路积分

14、后得到的合作用力仍满足牛顿第三运两闭合回路积分后得到的合作用力仍满足牛顿第三运动定律。动定律。12dF11dlI22dlI 垂直电流元垂直电流元21dF12dF11dlI22dlI 平行电流元平行电流元30电流强度单位电流强度单位安培的定义和绝对测量安培的定义和绝对测量 安培定律公式中，取安培定律公式中，取 力的单位为力的单位为牛顿牛顿，长度单位为，长度单位为米米，这样确定下来的，这样确定下来的电流强度的单位为电流强度的单位为安培安培 以平行电流元为例：以平行电流元为例： 令令I1=I2=I，则有：，则有：22121012124rdldlIIdF2700/104,4ANk21122127210dldldFrI 如果当如果当r122/dl1dl2=C (C1)时，若测得的相互作用力时，若测得的相互作用力F12=10-7/C，则每根导线中的电流强度，则每根导线中的电流强度I定义为定义为1安培。安培。3132,)(21212122112rrldldIIkFd总总 结结