2021-2022学年高二物理竞赛课件：电流和恒磁场.pptx

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1、电流和恒磁场电流和恒磁场2 11-1 恒定电流条件和导电规律恒定电流条件和导电规律 11-2 磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度 11-3 毕奥毕奥 萨伐尔定律萨伐尔定律 11-4 磁场的高斯定理和安培环路定理磁场的高斯定理和安培环路定理 11-5 磁介质的磁化磁介质的磁化*11-6 抗磁性抗磁性 11-7 铁磁性铁磁性电流和恒磁场电流和恒磁场3人们对于磁现象的认识始于磁铁吸引铁屑。人们对于磁现象的认识始于磁铁吸引铁屑。与引入电荷概念相似，引入磁荷研究磁现象。与引入电荷概念相似，引入磁荷研究磁现象。电流的磁效应被发现后，人们发现：一切物电流的磁效应被发现后，人们发现：一切物质的磁性都源于电流。质

2、的磁性都源于电流。安培认为，任何物质的分子中都存在着环形安培认为，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电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体基元磁体。现代理论认为：物质磁性主要由电子的自现代理论认为：物质磁性主要由电子的自旋磁矩引起。旋磁矩引起。4 11-1 恒定电流条件和导电规律恒定电流条件和导电规律 一、电流强度和电流密度一、电流强度和电流密度 带电粒子的定向运动就形成电流，提供电流带电粒子的定向运动就形成电流，提供电流的带电粒子就称为的带电粒子就称为载流子载流子。在金属导体中载流子是在金属导体中载流子是自由电子自由电子，在电解，在电解液导体中载流子是

3、液导体中载流子是正、负离子正、负离子，在电离的气，在电离的气体中载流子是正、负离子和电子。在半导体体中载流子是正、负离子和电子。在半导体中载流子是中载流子是电子和空穴电子和空穴。5 电电流流强强度度是是标标量量。有有正正、负负之之分分，是是代代数数量量。习惯上把正载流子的流动方向代表电流的方向。习惯上把正载流子的流动方向代表电流的方向。电流强度电流强度I(electric current)，单位时间内通过导体截面的电量。单位时间内通过导体截面的电量。I 单位单位A(安培安培)，常用毫安，常用毫安(mA)、微安、微安(A)为了描述电流的强弱，引入电流强度的概念。为了描述电流的强弱，引入电流强度的

4、概念。6 电流强度反映了单位时间内载流子通电流强度反映了单位时间内载流子通过导体整个横截面的状况，不涉及载流子过导体整个横截面的状况，不涉及载流子穿越该横截面各处的细节。如果导体的粗穿越该横截面各处的细节。如果导体的粗细不均匀，在大截面上各处和小截面上各细不均匀，在大截面上各处和小截面上各处载流子的分布状况显然是不同的。为了处载流子的分布状况显然是不同的。为了描述电流的分布细节，需要引入另一个物描述电流的分布细节，需要引入另一个物理量，即电流密度理量，即电流密度 。7 电流密度电流密度(electric current density)是描述电流分是描述电流分布的矢量。在导体中任意一点的方向与

5、正载流子布的矢量。在导体中任意一点的方向与正载流子在该点的流动方向相同，大小等于通过该点并垂在该点的流动方向相同，大小等于通过该点并垂直于电流的单位截面的电流强度。直于电流的单位截面的电流强度。通过任一面元单位面积的电流强度等于该处通过任一面元单位面积的电流强度等于该处电流密度矢量沿该面元法向的分量。电流密度矢量沿该面元法向的分量。电流密度的单位是电流密度的单位是A m-2。8 由由电电流流密密度度的的定定义义知知通通过过导导体体中中任任一一曲曲面面S的的电流电流I为为 与电通量定义式相比较，与电通量定义式相比较，I 与与 j 的关系也是一个通的关系也是一个通量与其矢量场的关系。量与其矢量场的

6、关系。9 在有电流的导体中，每一点都具有一定大小和方在有电流的导体中，每一点都具有一定大小和方向的电流密度矢量，构成了矢量场，称为向的电流密度矢量，构成了矢量场，称为电流场电流场。引入引入电流线电流线形象描述电流场中电流的分布，规定形象描述电流场中电流的分布，规定曲线上每点的切线方向都与该点的电流密度矢量的曲线上每点的切线方向都与该点的电流密度矢量的方向相同。方向相同。由电流线围成的管状区域称为由电流线围成的管状区域称为电流管电流管。恒定条件。恒定条件下，通过同一电流管任一横截面的电流相等。下，通过同一电流管任一横截面的电流相等。10 二、电流的连续性方程和恒定电流条件二、电流的连续性方程和恒

7、定电流条件 导体内任取一闭合曲面导体内任取一闭合曲面S，根据电荷守恒定律，根据电荷守恒定律，单位时间由闭合曲面单位时间由闭合曲面 S 内流出的电量，必定等于内流出的电量，必定等于在同一时间内闭合曲面在同一时间内闭合曲面 S 所包围的电量的减少，所包围的电量的减少，电流连续性方程的积分形式电流连续性方程的积分形式 以体电荷形式分布以体电荷形式分布 在曲面在曲面S所包围所包围的体积的体积 内积分内积分电流连续性方程的微分形式电流连续性方程的微分形式11恒定电流条件的积分形式恒定电流条件的积分形式 恒定电流条件的微分形式恒定电流条件的微分形式 恒定电流恒定电流就是其电流场不随时间变化的电流。就是其电

8、流场不随时间变化的电流。电流场不随时间变化，就要求电流场中的电荷分电流场不随时间变化，就要求电流场中的电荷分布也不随时间变化，由分布不随时间变化的电荷布也不随时间变化，由分布不随时间变化的电荷所激发的电场，称为所激发的电场，称为恒定电场恒定电场。12 恒定电流条件表明，恒定电流条件表明，恒定电流场中过任意闭合恒定电流场中过任意闭合曲面的电流必等于零。曲面的电流必等于零。电流线从某处穿入必从另一电流线从某处穿入必从另一处穿出。处穿出。恒定电流场的电流线必定是头尾相接的闭恒定电流场的电流线必定是头尾相接的闭合曲线。合曲线。恒定电场由运动的而分布不随时间变化的电荷恒定电场由运动的而分布不随时间变化的

9、电荷所激发。在遵从高斯定理和环路定理方面，恒定所激发。在遵从高斯定理和环路定理方面，恒定电场与静电场具有相同性质，通称为电场与静电场具有相同性质，通称为库仑电场库仑电场。13三、导体的电阻三、导体的电阻(resistance of conductor)伏安特性曲线伏安特性曲线以电势差以电势差U作横坐标电流作横坐标电流I作纵坐标。作纵坐标。导体电阻定义为两端电势差与电流之比导体电阻定义为两端电势差与电流之比为一切导电物体的电阻的普遍定义式。为一切导电物体的电阻的普遍定义式。导体的电阻特性常用伏安特性曲线来描述。导体的电阻特性常用伏安特性曲线来描述。14 电电阻阻单单位位是是(欧欧姆姆)：1=1V

10、 A-1，电电阻阻的的倒倒数数称称为为电电导导，用用G表表示示，单单位位是是S(西西门门子子)：1S=1-1。金金属属和和电电解解液液导导体体的的伏伏安安特特性性曲曲线线是是一一条条过过原原点点的的直直线线。这这种种性性质质的的电电阻阻称称为为线线性性电电阻阻或或欧欧姆姆电电阻阻，具具有有这这种种性性质质的的器器件件为为线线性性器器件件。也也有有非非线线性性器器件件，如热敏电阻，晶体管，真空二极管等。如热敏电阻，晶体管，真空二极管等。15四、导体的电阻率四、导体的电阻率(resistivity of conductor)导体材料电阻率决定于材料自身性质。导体材料电阻率决定于材料自身性质。电阻率电阻率 定义为电场强度定义为电场强度E大大小与同点电流密度小与同点电流密度j大小之比大小之比 由一定材料制成的横截面均匀的导体，如果长度为由一定材料制成的横截面均匀的导体，如果长度为l、横截面积为、横截面积为s，可以证明这段导体的电阻为，可以证明这段导体的电阻为