物理基础课件.ppt

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1、关于物理基础第一章电磁场的物理基础1第1页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础21.1 电荷密度与电流密度电荷密度与电流密度1.1.1电荷密度电荷密度 微观上看，大量电荷聚集时具有微观上看，大量电荷聚集时具有“颗粒性颗粒性”。宏观上看，电荷分布是空间位置的函数。宏观上看，电荷分布是空间位置的函数。根据物质结构理论，电荷的基本单位是根据物质结构理论，电荷的基本单位是e=1.6021019库仑库仑任何带电体的电荷量都是电子电荷量的整数倍任何带电体的电荷量都是电子电荷量的整数倍第2页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础31)1)电荷密度电荷密度 在分布电荷的体积在分布电荷的体积 V 中，中，

2、取一准无限小体积元取一准无限小体积元 V，若其电荷量为，若其电荷量为 q，则，则单位单位C/m3 第3页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础4当电荷分布在一层很薄的区域当电荷分布在一层很薄的区域时时,若其厚度可以忽略不计，抽若其厚度可以忽略不计，抽象为电荷分布在象为电荷分布在“面面”上，则上，则 2 2）面电荷密度）面电荷密度 单位单位C/m2 第4页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础53 3）线电荷密度线电荷密度 当电荷分布在一个细长的区域当电荷分布在一个细长的区域时，若其截面可以忽略不计，时，若其截面可以忽略不计，可抽象为一根可抽象为一根“细电荷丝细电荷丝”，则则单位单位C/m第

3、5页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础6 4）点电荷）点电荷 当电荷分布在一个很小的区域，它的外面没当电荷分布在一个很小的区域，它的外面没有电荷。若它占有的体积可以忽略不计，即有电荷。若它占有的体积可以忽略不计，即V V0 0，则可看为点电荷，则可看为点电荷单位单位C（库仑）（库仑）第6页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础7例：例：半径为半径为a的球体中均匀分布体电荷，密度为的球体中均匀分布体电荷，密度为，求：，求：dq=dV=(4 r2dr)2)球体表面球体表面(dr0)的面电荷密度的面电荷密度 =dV=dSdr=02）半径为）半径为r a，厚度为，厚度为dr的球壳所的球壳所带电

4、荷量带电荷量1）体积元）体积元dV所带的元电荷所带的元电荷dq=dV=(r2sin d d dr)rd drr sin d d d dVdrr第7页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础81.1.2 电流密度电流密度 电电路路理理论论中中，通通常常研研究究单单位位时时间间内内通通过过某某截截面面的的电电荷荷量量为为电电流流强度强度，简称电流。，简称电流。电磁场理论中，更关心任意场点的电荷运动情况（电流密度的大小电磁场理论中，更关心任意场点的电荷运动情况（电流密度的大小和方向）。我们研究的和方向）。我们研究的电流密度是一个矢量，在各向同性线性导电电流密度是一个矢量，在各向同性线性导电媒质中，它

5、与电场强度方向一致。媒质中，它与电场强度方向一致。电流是通量电流是通量,并不反映电流在每一点的流动情况。并不反映电流在每一点的流动情况。第8页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础9 1）体电流密度体电流密度J 密度为密度为 的体电荷以速度的体电荷以速度v运动运动形成体积电流形成体积电流 J=v 体电流密度是矢量，单位体电流密度是矢量，单位A/m2 通过任一截面通过任一截面S S 的电流的电流注意：电流密度注意：电流密度J与截面法线方向的夹角与截面法线方向的夹角第9页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础10 2 2）面电流密度面电流密度K 若电荷在一层很薄的、厚度可忽略不计的表面上流动，

6、则抽象为若电荷在一层很薄的、厚度可忽略不计的表面上流动，则抽象为“表表面电流面电流”。可看为密度为。可看为密度为 的面电荷，以速度的面电荷，以速度v 运动运动K=v面电流密度是矢量，单位面电流密度是矢量，单位A/m 通过载流面上任一截线通过载流面上任一截线b的电流的电流 注意：公式中截线注意：公式中截线b及其法线方向及其法线方向n 同轴电缆的外导体可视为电流线密度分布同轴电缆的外导体可视为电流线密度分布 高频电流的集肤效应可用电流线密度表示高频电流的集肤效应可用电流线密度表示 媒质表面产生磁化电流可用电流线密度表示媒质表面产生磁化电流可用电流线密度表示工程意义：工程意义：第10页，此课件共93

7、页哦第一章电磁场的物理基础11 3 3）线电流线电流 如果电荷在横截面可忽略不计的导线上流动，如果电荷在横截面可忽略不计的导线上流动，就是常说的就是常说的“线电流线电流”。可看为密度为。可看为密度为 的线电荷，的线电荷，以速度以速度v沿导线运动沿导线运动注意：电荷只能顺（或逆）导线方向运动。因此，注意：电荷只能顺（或逆）导线方向运动。因此，线电流是只有线电流是只有+/之分的标量。之分的标量。第11页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础12电荷守恒原理电荷守恒原理 在电流恒定情况下在电流恒定情况下1.1.3 电荷守恒和电流连续性原理电荷守恒和电流连续性原理 电荷不能产生也不能消失。从电荷不能

8、产生也不能消失。从S面流出去的电荷量，必然等于面流出去的电荷量，必然等于S面所包围体积面所包围体积V中总电荷的减少中总电荷的减少量量第12页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础131.2 电场强度与电位移矢量电场强度与电位移矢量1.2.1 库仑定律库仑定律 库仑定律是静电场的基本实验定律，库仑定律是静电现象的基本实验定库仑定律是静电场的基本实验定律，库仑定律是静电现象的基本实验定律。大量试验表明律。大量试验表明:真空中两个静止的点电荷真空中两个静止的点电荷q q1 1与与q q2 2之间的相互作用之间的相互作用力力:真空的介电常数真空的介电常数 0=10 9/36（F/m）图1-7 q2E

9、 1 er q1 r2 r1 r12 F21 o N(牛顿牛顿)N(牛顿牛顿)第13页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础14适用条件适用条件 两个可视为点电荷的带电体之间相互作用力两个可视为点电荷的带电体之间相互作用力;无限大真空情况无限大真空情况 (式中式中可推广到无限大各向同性均匀介质中可推广到无限大各向同性均匀介质中 F/m)F/m)结论：电场力符合矢量叠加原理结论：电场力符合矢量叠加原理 当真空中引入第三个点电荷当真空中引入第三个点电荷 时，试问时，试问 与与 相互间的相互间的作用力改变吗作用力改变吗?为什么？为什么？电荷之间的力不是超距作用，电荷之间的力不是超距作用，而是通过而

10、是通过“电场电场”间接作用的。间接作用的。F21=q2E1 图图1-81-8F12=q1E2 E1 电场电场 E2第14页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础151.2.2 电场强度电场强度 定义：定义：在一个带正电的大导体球附近放一个试探点电荷在一个带正电的大导体球附近放一个试探点电荷q0 0,实实际测得它所受的力为际测得它所受的力为F F ，若考虑到电量，若考虑到电量q q不是足够小，则不是足够小，则计算出的计算出的F F/q q0 0 比该场点的电场强度比该场点的电场强度E E是大还是小？若大导是大还是小？若大导体带负电荷，情况又将如何？体带负电荷，情况又将如何？电场强度（电场强度（

11、Electric Field Intensity)Electric Field Intensity)E E 表示单位正电荷在电表示单位正电荷在电场中所受到的力场中所受到的力(F)(F),它是空间坐标的矢量函数它是空间坐标的矢量函数,定义式给出了定义式给出了E E 的的大小大小、方向方向与与单位单位。方向：方向：正电荷在该点所受电场力的方向正电荷在该点所受电场力的方向大小：大小：单位正电荷在该点所受的电场力单位正电荷在该点所受的电场力单位：单位：在力学上为在力学上为N/C，电磁学中为，电磁学中为V/m 思考思考第15页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础16点电荷产生的电场强度点电荷产生的电

12、场强度V/mV/m点电荷的电场点电荷的电场具有三个特点具有三个特点：1）E的的大小大小与与q成正比；成正比；2）E E的的分布分布与与r r2 2成反比；成反比；3）E的的方向方向为球对称辐射方向为球对称辐射方向。第16页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础17连续分布电荷产生的电场强度连续分布电荷产生的电场强度体电荷分布体电荷分布面电荷分布面电荷分布线电荷分布线电荷分布 体电荷的电场第17页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础18利用叠加原理利用叠加原理,复杂的多种电荷分布的情况可以用下面的公式来计算：复杂的多种电荷分布的情况可以用下面的公式来计算：实际工程问题并不知道电荷密度的分布

13、函数，因此很难用上式计算电实际工程问题并不知道电荷密度的分布函数，因此很难用上式计算电场分布。场分布。n n个点电荷产生的电场强度个点电荷产生的电场强度 (注意注意:矢量叠加矢量叠加)V/m第18页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础19例例1-1已已知知在在x=0无无限限大大平平面面均均匀匀分分布布面面电电荷荷密密度度，求其两侧真空中的电场强度。求其两侧真空中的电场强度。y例例1-1题图题图x dzdE1dE2Ex zzrr 解：解：套用（套用（1-16）式，对）式，对x=0无限大带电平面进行积无限大带电平面进行积分，分，即可求得两侧的电场即可求得两侧的电场强度。强度。借用无限长线电荷电

14、场公借用无限长线电荷电场公式可使积分简化。式可使积分简化。在带电平面上取宽度为在带电平面上取宽度为dz的窄条，可看为无限长线电的窄条，可看为无限长线电荷，荷，其单位长度的电荷量其单位长度的电荷量=dz，则，则 第19页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础20位于位于 z z对称位置的电荷产生的电场叠加后只有对称位置的电荷产生的电场叠加后只有ExEx分分量量 故，无限大均匀带电平面故，无限大均匀带电平面x0侧和侧和x0侧的电场强度分别侧的电场强度分别为为 第20页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础21 1.2.3 真空中静电场特性真空中静电场特性在在点点电电荷荷q的的电电场场中中，将将

15、单单位位电电荷荷从从A点移动到点移动到B点所做的功：点所做的功：可见，电场力做功、两点间的电压都与路径无关可见，电场力做功、两点间的电压都与路径无关E单位电荷所受的力；单位电荷所受的力；电场力将单位移动电场力将单位移动dl所做的功；所做的功；E dl表示电场力将单位电荷从表示电场力将单位电荷从A点移到点移到B点所做的功点所做的功定义定义:静电场中两点间的电压静电场中两点间的电压 MNABq rBdldrrAr第21页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础22真空中的高斯通量定理真空中的高斯通量定理对于闭合路径，则有对于闭合路径，则有基本方程之一基本方程之一表明，静电场是守恒场（保守场）表明，

16、静电场是守恒场（保守场）在点电荷在点电荷q的电场中，穿过同心球面的电通量的电场中，穿过同心球面的电通量如果包围点电荷的是一个任意形状的闭如果包围点电荷的是一个任意形状的闭合面上式仍然成立，因此合面上式仍然成立，因此 q第22页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础23高斯定律的积分形式高斯定律的积分形式式中式中 n n 是闭合面包围的点电是闭合面包围的点电荷总数。荷总数。闭合曲面的电通量闭合曲面的电通量 E E的通量仅与闭合面的通量仅与闭合面S S 所包所包围的净电荷有关。围的净电荷有关。闭合面外的电荷对场的影响闭合面外的电荷对场的影响 S S面上的面上的E E是由系统中是由系统中全部电荷产

17、生的。全部电荷产生的。第23页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础24电介质的分类电介质的分类1.2.4 介质的极化介质的极化有有极极分分子子无无外外加加电电场场时时正正负负电电荷荷中中心心不不重重合合,电电偶偶极矩排列杂乱无章极矩排列杂乱无章 p p=0=0。无极分子无极分子无外加电场时正负电荷作用中心重合电无外加电场时正负电荷作用中心重合电偶极距偶极距p p=0 =0；有极性分子:CO,H2O,H2S,NO2,SO2,SCl2,非极性分子:Cl2,H2,O2,N2,CO2,SiF4,汽油 第24页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础25三种极化现象三种极化现象:v电子极化电子极化无

18、极分子无极分子原子核外围的电子云，在外电场作用下发原子核外围的电子云，在外电场作用下发生相对位移，出现电偶极矩生相对位移，出现电偶极矩p p=ql ql v离子极化离子极化无极分子无极分子的正负离子，在外电场的作用下发生的正负离子，在外电场的作用下发生位移，出现电偶极矩位移，出现电偶极矩p p=ql qlv取向极化取向极化有极分子有极分子的固有电偶极矩的固有电偶极矩p p，在外电场的作用下顺，在外电场的作用下顺电场方向转动，产生合成电矩电场方向转动，产生合成电矩 p p 0 0 电介质电介质在外电场在外电场E作用作用下发生下发生极化极化，形成有向排列的电偶，形成有向排列的电偶极矩；极矩；电介质

19、内部和表面产生极化电荷；电介质内部和表面产生极化电荷；极化电荷与自由电荷都是产生电场的源。极化电荷与自由电荷都是产生电场的源。第25页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础26电介质被极化的程度用电介质被极化的程度用“极化强度极化强度”表示表示 物理意义：单位体积中的电偶极矩物理意义：单位体积中的电偶极矩，单位单位C/m2极化强度极化强度P与电场强度与电场强度E的关系与电介质的物理性质有关，的关系与电介质的物理性质有关，对于线性、各向同性电介质对于线性、各向同性电介质 P=e 0E式中：式中：e称为电介质的极化率，一般与称为电介质的极化率，一般与E无关，且无量纲无关，且无量纲无极性分子无极性

20、分子有极性分子有极性分子电介质的极化电介质的极化第26页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础27介质极化结果是在介质表面和体积中出现极化电荷介质极化结果是在介质表面和体积中出现极化电荷 任意闭合面包围的极化电荷总量任意闭合面包围的极化电荷总量 电场场强达到一定数值时，束缚电荷会脱离它们的分电场场强达到一定数值时，束缚电荷会脱离它们的分子结构而自由移动，击穿。子结构而自由移动，击穿。电介质能安全地承受的最大电场强度，称为该材料的电电介质能安全地承受的最大电场强度，称为该材料的电介质强度，或称介质强度，或称击穿场强击穿场强。介质表面总有介质表面总有极化面电荷极化面电荷不均匀介质体积内有不均匀介

21、质体积内有极化体电荷极化体电荷SnP dSl+E第27页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础281.2.5 电位移矢量电位移矢量高斯通量定理用于电介质时，高斯通量定理用于电介质时，既包含自由电荷既包含自由电荷q，也包含极化电荷，也包含极化电荷qp则得，则得，介质中的高斯通量定理介质中的高斯通量定理定义定义称称“电位移矢量电位移矢量”或或“电感应强度电感应强度”移项合并整理得移项合并整理得 D D 的通量与介质无关，但不能认的通量与介质无关，但不能认为为D D 的分布与介质无关。的分布与介质无关。第28页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础29 r r=1+=1+x xe e 称为电介质

22、的称为电介质的相对介电常数相对介电常数（无量纲无量纲）=r r 0 0 称称为电介质的介电常数（为电介质的介电常数（单位单位F/mF/m）对于线性、各向同性、均匀介质对于线性、各向同性、均匀介质 D D 通量只取决于高斯面内的自由电荷，而高斯面上的通量只取决于高斯面内的自由电荷，而高斯面上的 D D 是是由高斯面内、外的系统所有电荷共同产生的。由高斯面内、外的系统所有电荷共同产生的。D D 的通量与介质无关，但不能认为的通量与介质无关，但不能认为D D 的分布与介质无关。的分布与介质无关。第29页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础30图示平行板电容器中放入一块介质后，其图示平行板电容器中

23、放入一块介质后，其D D 线、线、E E 线和线和P P 线的分布。线的分布。D D 线由正的自由电荷发出，终止于负的自由电荷；线由正的自由电荷发出，终止于负的自由电荷；P P 线由负的极化电荷发出，终止于正的极化电荷。线由负的极化电荷发出，终止于正的极化电荷。E E 线的起点与终点既可以在自由电荷上，又可以在极化电荷上；线的起点与终点既可以在自由电荷上，又可以在极化电荷上；电场强度在电介质内部是增加了，还是减少了？电场强度在电介质内部是增加了，还是减少了？D D线线E E线线P P线线D D、E E与与 P P 三者之间的关系三者之间的关系思考：思考：第30页，此课件共93页哦第一章电磁场的

24、物理基础31解解:设内导体表面带电量为设内导体表面带电量为q，由由 得得例例1-2 同轴电缆内外导体半径分别为同轴电缆内外导体半径分别为R1和和R2长度为长度为l，中间为线性各向同性电介质，相对电容率，中间为线性各向同性电介质，相对电容率 r=2=2。已知内外导体间的电压为已知内外导体间的电压为U U，求：求：1)1)介质中的介质中的D D、E和和P；2)2)内导体表面的自由电荷量内导体表面的自由电荷量q q 3)3)介质内表面的极化电荷量介质内表面的极化电荷量q qP P第31页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础32由于由于 故故内导体的自由电荷量内导体的自由电荷量 介质中介质中介质内

25、表面的极化电荷量介质内表面的极化电荷量 第32页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础33高斯定律的应用高斯定律的应用计算技巧计算技巧：a a）分析给定场分布的对称性，）分析给定场分布的对称性，判断能否用高斯定律求解。判断能否用高斯定律求解。b b）选择适当的闭合面作为高斯面，使）选择适当的闭合面作为高斯面，使 容易积分。容易积分。高斯定律适用于任何情况高斯定律适用于任何情况但只有具有一定但只有具有一定对称性的场对称性的场才能得到解析解才能得到解析解第33页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础34例例1-31-3 求电荷线密度为求电荷线密度为 的无限长均匀带电体的电场的无限长均匀带电体的

26、电场。解：电场分布特点：解：电场分布特点：D D 线皆垂直于导线，呈线皆垂直于导线，呈辐射辐射状态；状态；等等 r r 处处D D 值相等；值相等；取取长为长为L L，半径为，半径为 r r 的封闭圆柱面为高斯的封闭圆柱面为高斯面。面。由由 得得第34页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础35图图2 2 球壳内球壳内的的电场电场图图1 1 球壳外球壳外的电场的电场例例1-41-4 试分析图试分析图1 1与图与图2 2中的电场能否直接用高斯定律来求解场中的电场能否直接用高斯定律来求解场的分布？的分布？图图1 1 点电荷点电荷q q置于金属球置于金属球壳内任意位置的电场壳内任意位置的电场图图2

27、 2 点电荷点电荷q q分别置于金属球壳内的中分别置于金属球壳内的中心处与球壳外的电场心处与球壳外的电场第35页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础36物质磁性的起源 如果磁是电磁以太涡旋，一个磁铁，没看到任何电磁以太的涡旋，为什么会有磁性？我们的回答是：物质的磁性起源于原子中电子的运动，电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋。第36页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础37什么是磁性？简单说来，磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。在相同的不均匀磁场中，由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度，来确定物质磁性的强弱。因为任何物质都具有磁性，所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作

28、用。磁天平仪第37页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础38 早在1820年，丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应，第一次揭示了磁与电存在着联系，从而把电学和磁学联系起来。第38页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础39安培分子电流假说为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。第39页，此课件共

29、93页哦第一章电磁场的物理基础40安培简介安德烈安德烈玛丽玛丽安培（安培（Andr-Marie Ampre，1775年年1836年）年），法国物理学家，在电磁作用方面的研究成就卓著，对数学数学和化学化学也有贡献。电流的国际单位安培安培即以其姓氏命名。第40页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础41磁电联系磁现象和电现象有本质的联系。物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。施特

30、恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。）第41页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础42电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性，人们常用磁矩来描述磁性。因此电子具有磁矩，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。是原子磁矩的单位。因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电

31、子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。第42页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础43运动的带电粒子在磁场中会受到一种称为洛仑兹(Lorentz)力作用。由同样带电粒子在不同磁场中所受到洛仑磁力的大小来确定磁场强度的高低。是测量脉冲强磁场的磁通密度的特斯拉磁强计，简称特斯拉计。特斯拉是磁通密度的国际单位制单位。磁通密度是描述磁场的基本物理量，而磁场强度是描述磁场的辅助量。特斯拉(Tesla，N)(18861943)是克罗地亚裔美国电机工程师，曾发明变压器和交流电动机。第43页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础441.3 磁感应强度与磁场强度磁感应强度与磁

32、场强度1.3.1 安培力定律安培力定律 其中真空的磁导率其中真空的磁导率 0=4 /10 7(H/m)根据场的观点，可改写为根据场的观点，可改写为 1820 1820年年,法国物理学家安培法国物理学家安培从实验中总结出电流回路之间的相从实验中总结出电流回路之间的相互作用力的规律互作用力的规律,称为安培力定律。称为安培力定律。I2dl2l1 I1dl1 er r12l2F21第44页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础453）对于体分布或面分布的电流，Biot-Savart Law 可写成 1）适用条件：无限大均匀媒质 ，且电流分布在有限区域内。2）由毕奥沙伐定律可以导出恒定磁场的基本方程（

33、B 的散度与旋度）。电流之间相互作用力通过磁场传递。电荷之间相互作用力通过电场传递。第45页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础46当体、面、线电流都存在时当体、面、线电流都存在时实际工程中电流分布比较复杂，很难用上述电流积分公式求得实际工程中电流分布比较复杂，很难用上述电流积分公式求得B B。单位单位 T T(特斯拉）特斯拉）1.3.2 磁感应强度磁感应强度 由上式可得由上式可得毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律,第46页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础47穿过任意面积穿过任意面积S的的B通量，称为磁通通量，称为磁通1.3.3 真空中恒定磁场特性真空中恒定磁场特性 单位单位Wb（韦伯

34、）（韦伯）由于磁力线无头无尾，故由于磁力线无头无尾，故磁通连续性磁通连续性安培环路定律安培环路定律对于真空中的任意闭合回路，有对于真空中的任意闭合回路，有其中每个电流其中每个电流 ik 的符号由右手定则决定的符号由右手定则决定 BI1为正为正I2为负为负l第47页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础48安培环路定律安培环路定律(真空中真空中)以长直导线的磁场为例以长直导线的磁场为例（1 1）安培环路与磁力线重合）安培环路与磁力线重合（2 2）安培环路与磁力线不重合）安培环路与磁力线不重合（3 3）安培环路不交链电流）安培环路不交链电流（4 4）安培环路与若干根电流交链）安培环路与若干根电流

35、交链该结论适用于其它任何带电体情况。该结论适用于其它任何带电体情况。强调：环路方向与电流方向成右手，电流取正，否则取负。强调：环路方向与电流方向成右手，电流取正，否则取负。证明安培环路定律用图第48页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础49 磁通连续性原理磁通连续性原理B 的通量的通量磁场通过任意闭合面的磁通量为零，称之为磁场通过任意闭合面的磁通量为零，称之为磁通磁通连续性原理，或称磁场中的高斯定律连续性原理，或称磁场中的高斯定律 (Gausss (Gausss Law for the Magnetic field)Law for the Magnetic field)。若要计算若要计算

36、B B 穿过一个非闭合面穿过一个非闭合面 S S 的磁通，的磁通，则则B 线的性质：线的性质：B 线是闭合的曲线线是闭合的曲线;B 线不能相交线不能相交 (除除 B=0B=0 外外 )；闭合的闭合的 B 线与交链的电流成右手螺旋关系；线与交链的电流成右手螺旋关系；B 强处，强处，B 线稠密，反之，稀疏。线稠密，反之，稀疏。第49页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础50例例1-5已知真空中已知真空中x=0=0的无限大平面上通恒定面电流密度的无限大平面上通恒定面电流密度K=K0ez。求：两侧的磁感应强度。求：两侧的磁感应强度。解：解：由于位于由于位于 y对称位置的电流产生的对称位置的电流产生

37、的合成磁场只有合成磁场只有 By分量分量。而且，电流两而且，电流两侧位于侧位于 x x对称位置的磁场大小相等，方向对称位置的磁场大小相等，方向相反。相反。因此，取因此，取图图示矩形回路示矩形回路l l，由，由 lxyKlB1B2可得可得 因此因此 第50页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础51例例1-61-6 试求有限长直载流导线产生的磁感应强度。试求有限长直载流导线产生的磁感应强度。解采用圆柱坐标系，取电流解采用圆柱坐标系，取电流IdzIdz，则则式中，式中，当当 时，时，长直导线的磁场长直导线的磁场第51页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础52解：元电流 Idl l 在其轴线上

38、P点产生的磁感应强度为 例例 1-71-7 真空中有一载流为真空中有一载流为I I，半径为，半径为R R的圆形回路，求其轴线上的圆形回路，求其轴线上P P点的磁感应强度。点的磁感应强度。圆形载流回路轴线上的磁场分布根据圆环磁场对 P 点的对称性，圆形载流回路第52页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础531.3.4 物质的磁化物质的磁化 每个电子既围绕原子核不停地运动，又绕其自身的轴自旋，电子的每个电子既围绕原子核不停地运动，又绕其自身的轴自旋，电子的这两种运动都可以用分子电流来等效。这两种运动都可以用分子电流来等效。从电磁场的角度看，每个从电磁场的角度看，每个分子电流相当于一个磁偶极子，

39、分子电流相当于一个磁偶极子，磁矩磁矩m=i0 ds 磁媒质可分为顺磁物质、抗磁物质和铁磁物质。磁媒质可分为顺磁物质、抗磁物质和铁磁物质。物质结构理论表明，任何物质都是由分子、原子构成的。物质结构理论表明，任何物质都是由分子、原子构成的。磁偶极子磁偶极子第53页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础54铁磁物质铁磁物质 内部存在很多天然的具有很强磁性的小区内部存在很多天然的具有很强磁性的小区域，称为磁畴。无外磁场时磁畴方向杂乱无章，因此其域，称为磁畴。无外磁场时磁畴方向杂乱无章，因此其 m=0=0，对外不显磁性；在外磁场作用下磁畴顺外磁场，对外不显磁性；在外磁场作用下磁畴顺外磁场排列，使其排列

40、，使其 m 0。铁磁物质磁化强度比一般磁介质要大几百万倍。铁磁物质磁化强度比一般磁介质要大几百万倍。顺磁物质顺磁物质 固有磁矩固有磁矩m 0，但无外磁场时，排列混乱，但无外磁场时，排列混乱，彼此抵消，使其彼此抵消，使其 m=0=0。在外磁场作用下在一定程度沿。在外磁场作用下在一定程度沿磁场方向排列，从而使其磁场方向排列，从而使其 m 0 抗磁物质抗磁物质 无外加磁场时每个分子的净磁矩无外加磁场时每个分子的净磁矩m=0；在外磁场作用下产生感应磁矩，使其在外磁场作用下产生感应磁矩，使其 m 0第54页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础55物质磁性的分类1顺磁性顺磁性 2铁磁性铁磁性 3反铁磁

41、性反铁磁性 4抗磁性抗磁性 第55页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础56抗磁性抗磁性 当当磁磁化化强强度度M为为负负时时，固固体体表表现现为为抗抗磁磁性性。Bi、Cu、Ag、Au等等金金属属具具有有这这种种性性质质。在在外外磁磁场场中中，这这类类磁磁化化了了的的介介质质内内部部的的磁磁感感应强度小于真空中的磁感应强度应强度小于真空中的磁感应强度M。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。当当抗抗磁磁性性物物质质放放入入外外磁磁场场中中，外外磁磁场场使使电电子子轨轨道道改改变变，感感生生一一个个与与外外磁磁场场方方向

42、向相相反反的的磁磁矩矩，表表现现为为抗抗磁磁性性。所所以以抗抗磁磁性性来来源源于于原原子子中中电电子子轨轨道道状状态态的的变变化化。抗抗磁磁性性物物质质的的抗抗磁磁性性一一般般 很很 微微 弱弱，磁磁 化化 率率H一一 般般 约约 为为-10-5，为为 负负 值值。第56页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础57顺磁性顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度与外磁场方向一致，为正，而且严格地与外磁场H成正比。顺磁性物

43、质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。其磁化率H与绝对温度T成反比。顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下H约为10-5。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。第57页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础58铁磁性铁磁性对对诸诸如如Fe、Co、Ni等等物物质质，在在室室温温下下磁磁化化率率可可达达10-3数数量量级级，称称这这类类物物质质的的磁磁性性为铁磁性。为铁磁性。铁铁磁磁性性物物质质即即使使在在较较弱弱的的磁磁场场内内，也也可可得得到到极极高高的的磁磁化化强强度度，而而且且当当外外磁磁场场移移去去后后

44、，仍仍可可保保留留极极强强的的磁磁性性。其其磁磁化化率率为为正正值值，但但当当外外场场增增大大时时，由由于于磁磁化化强强度度迅迅速速达达到到饱和，其饱和，其H变小。变小。第58页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础59铁铁磁磁性性物物质质具具有有很很强强的的磁磁性性，主主要要起起因因于于它它们们具具有有很很强强的的内内部部交交换换场场。铁铁磁磁物物质质的的交交换换能能为为正正值值，而而且且较较大大，使使得得相相邻邻原原子子的的磁磁矩矩平平行行取取向向（相相应应于于稳稳定定状状态态），在在物质内部形成许多小区域物质内部形成许多小区域磁畴磁畴。每每个个磁磁畴畴大大约约有有1015个个原原子子。

45、这这些些原原子子的的磁磁矩矩沿沿同同一一方方向向排排列列，假假设设晶晶体体内内部部存存在在很很强强的的称称为为“分分子子场场”的的内内场场，“分分子子场场”足足以以使使每每个个磁磁畴畴自自动动磁磁化化达达饱饱和和状状态态。这这种种自自生生的的磁磁化化强强度度叫叫自自发发磁磁化化强强度度。由由于于它它的的存存在在，铁铁磁磁物物质质能能在在弱弱磁磁场场下下强强列列地地磁磁化化。因因此此自自发发磁磁化化是是铁铁磁磁物物质质的的基基本本特特征征，也也是是铁铁磁磁物物质和顺磁物质的区别所在。质和顺磁物质的区别所在。第59页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础60铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现铁

46、磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温，铁磁性消失。这一温度称为度称为居里点居里点。在居里点以上，材料表。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里从居里外斯定律。外斯定律。第60页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础61反铁磁性反铁磁性 反铁磁性是指由于反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列电子自旋反向平行排列。在同一子晶。在同一子晶格中有自发磁化

47、强度，电子磁矩是同向排列的；在不同格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体强度大小相同，方向相反，整个晶体。反铁磁性物质大。反铁磁性物质大都是非金属化合物。都是非金属化合物。不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的。发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的。第61页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础62磁偶极子受磁场力而转动磁偶极子受磁场力而转动媒质的磁化媒质的磁

48、化无外磁场作用时，媒质对外不显磁性，无外磁场作用时，媒质对外不显磁性，在外磁场作用下，磁偶极子发生旋转，在外磁场作用下，磁偶极子发生旋转，转矩为转矩为 T Ti i=m=mi iBB ，旋转方向使磁偶极矩方向与外磁场方向旋转方向使磁偶极矩方向与外磁场方向一致，对外呈现磁性，称为磁化现象一致，对外呈现磁性，称为磁化现象。媒质的磁化媒质的磁化第62页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础63磁介质被磁化的程度用磁介质被磁化的程度用“磁化强度磁化强度”表示表示 表示单位体积中的分子磁矩，单位表示单位体积中的分子磁矩，单位A/m。顺磁物质顺磁物质 m 0 抗磁物质抗磁物质 m 0铁磁物质铁磁物质 m

49、数值极大，其性质非常复杂数值极大，其性质非常复杂 磁化电流磁化电流 m 称为媒质的磁化率称为媒质的磁化率 M=mH H 对于线性各向同性媒质对于线性各向同性媒质 有磁介质存在时，场中任一点的有磁介质存在时，场中任一点的 B B 是自由电流和磁化电流共同作是自由电流和磁化电流共同作用在真空中产生的磁场。用在真空中产生的磁场。磁化电流具有与传导电流相同的磁效应磁化电流具有与传导电流相同的磁效应第63页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础641.3.5 磁场强度磁场强度 在媒质中应用安培环路定理，既要包含自由电流，也在媒质中应用安培环路定理，既要包含自由电流，也要包含磁化电流要包含磁化电流 定义

50、定义称磁场强度，称磁场强度，单位单位A/m因此，媒质中的安培环路定律为因此，媒质中的安培环路定律为第64页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础65对于铁磁物质对于铁磁物质 0，且非线性；且非线性；由于线性、各向同性磁媒质由于线性、各向同性磁媒质 因此因此其中：其中：r=/0=1+m是无量纲的数，称为磁媒质的相对磁导是无量纲的数，称为磁媒质的相对磁导率，率，为磁媒质的磁导率。为磁媒质的磁导率。顺磁和抗磁物质顺磁和抗磁物质 0第65页，此课件共93页哦第一章电磁场的物理基础66例例1-8 长直圆柱体导磁材料的半径为长直圆柱体导磁材料的半径为a，磁导率，磁导率已知其被永久磁化，磁化强度已知其被永