大学物理-电流与磁场讲课稿.ppt

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1、大学物理-电流与磁场3、电电流的定义流的定义 单位时间内通过导体任一截面的电量单位时间内通过导体任一截面的电量为电流强度。为电流强度。电流强度随时间而变化电流强度随时间而变化(例如交流电例如交流电)，可用瞬时电流强度来表示，可用瞬时电流强度来表示 在在SI中中，规规定定电电流流强强度度为为基基本本量量，1s内内通通过过导导体体任任一一截截面面的的电电荷荷为为1C的的电电流流强强度称度称为为1A，即，即单单位：安培位：安培(A)二、恒定电流与恒定电二、恒定电流与恒定电场场1.恒定恒定电电流流 恒定电流恒定电流电流分布不随时间变化电流分布不随时间变化2.恒定恒定电场电场恒定恒定电场电场维持恒定电流

2、所需的电场，维持恒定电流所需的电场，其分布不随时间变化。其分布不随时间变化。静电场与恒定电场比较静电场与恒定电场比较不同不同相同相同静静电电场场恒恒定定电电场场导体内导体内一经建立不需能一经建立不需能量维持量维持导体内导体内分布不变分布不变其其存存在在一一定定伴伴随随能量转换能量转换 分布不随分布不随时间变化时间变化高斯定理高斯定理 有源性有源性环路定理环路定理 保守性保守性均适用均适用三、电流与电流密度三、电流与电流密度1.电电流密度矢量流密度矢量大大小小：通通过过与与该该点点 垂垂直直的的单单位位截截面面的的电电流。流。方向：方向：与与+q的漂移运的漂移运动动方向，方向，方向相同。方向相同

3、。单单位：位：安安 米米-2(A m-2)通通过过一个有限截面一个有限截面 S的的电电流流强强度度为为2.电电流的流的连续连续性方程性方程形象描述电流分布，形象描述电流分布，电流密度矢量线。电流密度矢量线。曲曲线线上上每每一一点点的的切切线线方方向向为为 的的方方向向，曲曲线线的疏密表示它的大小。的疏密表示它的大小。(1)电电流流线线 在在电电流流场场中中选选一一闭闭合曲面合曲面S，单单位位时间时间内从内从S面面内流出的电荷量为内流出的电荷量为(2)电电流的流的连续连续性方程性方程 据电荷守恒定律，据电荷守恒定律，电流密度矢量的通电流密度矢量的通量等于该面内电荷减少的速率量等于该面内电荷减少的

4、速率.当当电电荷分布不随荷分布不随时间变时间变化化(电场电场不不变变)时时，电电流将达到流将达到稳稳恒。恒。(3)恒定恒定电电流流说明说明:1o 在没有分支的恒定在没有分支的恒定电电路中，通路中，通过过各截面各截面的的电电流必定相等；而且恒定流必定相等；而且恒定电电路必定是路必定是闭闭合的。合的。2o恒恒定定电电流流情情况况下下的的电电荷荷分分布布(净净电电荷荷的的宏宏观观分分布布不不随随时时间间改改变变)所所激激发发的的恒恒定定电电场场与与静静电场电场服从同服从同样样的基本的基本规规律。律。四、电源及电源电动势四、电源及电源电动势问题：能否形成恒定电流？问题：能否形成恒定电流？非静电力做功，

5、不断的将正电非静电力做功，不断的将正电荷从低电位移到高电位的装置荷从低电位移到高电位的装置+带正电导体带正电导体带负电导体带负电导体连接导线连接导线+-电源电源维持外电路两端的电势差维持外电路两端的电势差形成恒定电流形成恒定电流1、电电源：源：符号：符号：2、电电源源电动势电动势 把把单单位位正正电电荷荷经经电电源源内内部部从从负负极极移移到到正正极极，非非静静电电力力所所作作的的功。功。描描述述电电源源做做功功的的本本领领的的物理量物理量设电设电荷荷q在在电电源内受非静源内受非静电电力力则，电源内部的非静电场强为：则，电源内部的非静电场强为：方向：经电源内方向：经电源内部由负极指向正极。部由

6、负极指向正极。将其他形式的能转换为电能将其他形式的能转换为电能的装置。的装置。对整个电路有：对整个电路有：说明：说明：反映电源做功本领，与外电路闭合反映电源做功本领，与外电路闭合否无关；否无关；是标量，遵循代数运算法则。是标量，遵循代数运算法则。磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度一、磁的基本一、磁的基本现现象象司南勺司南勺S SNN两极不可分割，即两极不可分割，即“单极子单极子”不存在。不存在。磁性磁性：能吸引：能吸引铁铁、钴钴、镍镍等物等物质质的性的性质质。磁极：磁极：磁性最磁性最强强的区域，分磁北极的区域，分磁北极N和磁和磁南极南极S。1.磁磁铁铁的磁性的磁性磁偏角磁偏角2.磁力磁力 磁极间

7、存在相互磁极间存在相互作用，同号相斥，异作用，同号相斥，异号相吸。号相吸。地球是一个巨大的永磁体。地球是一个巨大的永磁体。问题：磁现象产生的原因是什么？问题：磁现象产生的原因是什么？3.电电流的磁效流的磁效应应1819奥斯特奥斯特实验实验表明：表明：电电流流对对磁磁极有力的作用极有力的作用磁铁对电流有作用磁铁对电流有作用电流间有相互作用电流间有相互作用载流线圈的行载流线圈的行为像一块磁铁为像一块磁铁 结结论论：磁磁现现象象与与电电荷荷的的运运动动有有着着密密切切的的关关系系。运运动动电电荷荷既既能能产产生生磁磁效效应应，也也受受到磁力的作用。到磁力的作用。4.安安培培分分子子电电流流假假说说(

8、1822年年)一切磁一切磁现现象起源于象起源于电电荷的运荷的运动动。磁性物磁性物质质的分子中存在着分子的分子中存在着分子电电流，流，每个分子每个分子电电流相当于一基元磁体。流相当于一基元磁体。物物质质的磁性取决于内部分子的磁性取决于内部分子电电流流对对外外 界磁效界磁效应应的的总总和。和。说说明了磁极不能明了磁极不能单单独存在的原因。独存在的原因。二、磁场二、磁场 磁感强度磁感强度1.磁磁场场运动电荷运动电荷磁磁场场运动电荷运动电荷2.磁感磁感应应强强度度描述磁场大小和方向的物理量描述磁场大小和方向的物理量(1)定定义义：方向：小磁方向：小磁针针N极指向；极指向；实实验验：正正试试验验电电荷荷

9、q0以以速速率率v 在在磁磁场场中中沿沿不同方向运不同方向运动动受力：受力：实验结果实验结果:a.F v、B 组组成的平面；成的平面；q0b.F大小正比于大小正比于v、q0、sin q0沿沿磁磁场场方方向向运运动动，F=0;q0垂垂直直磁磁场场方方向运向运动动，F=Fmax单单位：位：特斯拉特斯拉(T)磁感强度的大小磁感强度的大小：思想：我们在研究带电体产生的电场时，思想：我们在研究带电体产生的电场时，将其看成许许多多电荷元。即：将其看成许许多多电荷元。即：将电流看成许许多多的电流元：将电流看成许许多多的电流元：I.P实验证明：实验证明：在真空和在真空和SI制中，制中，方向方向:写成矢量表示：

10、写成矢量表示：0 0=410-7-7亨利亨利米米-1 真空中的磁真空中的磁导导率率IIrdlIdB三、毕奥三、毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律四、毕四、毕萨定律应用举例萨定律应用举例 选选取取电电流元或某些典型流元或某些典型电电流流分布分布为积为积分元；分元；由由毕毕-萨萨定定律律写写出出积积分分元元的的磁磁场场dB；建建立立坐坐标标系系，将将dB分分解解为为分分量量式式，对对每每个个分分量量积积分分(统统一一变变量、确定上下量、确定上下积积分限分限)求求出出总总磁磁感感应应强强度度大大小小、方方向，向，对结对结果果进进行分析行分析例例7-1.载载流直流直导线导线附近一点的磁感附近一点的磁感应应强强度

11、度a解：解：在导线上任取在导线上任取由毕由毕由毕由毕萨定律萨定律萨定律萨定律方向恒垂直屏向外方向恒垂直屏向外选选为积为积分分变变量，量，P12rlI 1=0,2=(2)“半无限半无限长长”载载流流导线导线aBI 1=/2 ,2=(3)P点在点在导线导线的延的延长线长线上上 B=0讨论讨论:“无限无限长长”载载流流导线导线“半无限半无限长长”载载流流导线导线(1)(1)“无限无限长长”载载流流导线导线例例7-2.载载流流圆圆线线圈圈半半径径为为R，电电流流强强度度为为I。求求轴轴线线上上距距圆圆心心O为为x处处P点的磁感点的磁感强强度。度。方向如图方向如图I各各电电流元在流元在P点点 大小相等，

12、方向不同，大小相等，方向不同，解：在圆电流上取电流元解：在圆电流上取电流元根据毕奥根据毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律萨伐尔定律萨伐尔定律由对称性：由对称性：讨论：讨论：圆圆心心处处磁磁场场,x=0 N 匝：匝：定定义义:电流的磁矩电流的磁矩IS:电电流所包流所包围围的面的面积积,规规定正法定正法线线方向与方向与I 指向成右旋关系；指向成右旋关系；圆电流磁矩：圆电流磁矩：圆电流轴线上磁场：圆电流轴线上磁场：单单位：安培位：安培 米米2(A m2)例例7-3.A和和C为为两两个个正正交交放放置置的的圆圆形形线线圈圈，其其圆圆心心相相重重合合，A线线圈圈半半径径为为20.0cm，共共10匝匝，通通有有电

13、电流流10.0A；而而C线线圈圈的的半半径径为为10.0cm，共共20匝匝，通通有有电电流流5.0A。求求两两线线圈圈公公共共中中心心O点点的的磁磁感感应应强强度的大小和方向。度的大小和方向。ACOB BCBA解：解：例例7-4.半半径径为为R的的圆圆盘盘均均匀匀带带电电，电电荷荷密密度度为为。若若该该圆圆盘盘以以角角速速度度 绕绕圆圆心心O旋旋转转，求求轴轴线线上上距距圆圆心心x处处的磁感的磁感应应强强度。度。解：解：ROPxxdBdrr任任取半径取半径为为r圆环圆环，如，如图图方向恒沿方向恒沿x轴轴环上电量为环上电量为则则1.磁感磁感应线应线规定规定:方向：方向：方向：方向：磁感应线的切向

14、磁感应线的切向大小：磁感应线的疏密大小：磁感应线的疏密特点特点闭合，或两端伸向无穷远；闭合，或两端伸向无穷远；与载流回路互相套联；与载流回路互相套联；互不相交。互不相交。五、高斯定理五、高斯定理条形磁铁周围的磁感线条形磁铁周围的磁感线直线电流的磁感线直线电流的磁感线圆电流的磁感线圆电流的磁感线通电螺线管的磁感线通电螺线管的磁感线磁感应线闭合成环，无头无尾磁感应线闭合成环，无头无尾2.磁通量磁通量 通过磁场中某给通过磁场中某给定面的磁感线条数定面的磁感线条数单单位：位：Wb(韦韦伯伯)d dS S对封闭曲面，对封闭曲面，规定外法向规定外法向为正为正进入的磁感应线进入的磁感应线穿出的磁感应线穿出的

15、磁感应线穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。3.真真空空中中磁磁场场的的高高斯斯定理定理穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。S 磁场是磁场是“无源场无源场”，自然界没有单独，自然界没有单独存在的磁单极子。存在的磁单极子。例例7-5.无无限限长长直直导导线线通通以以电电流流I，求求通通过过如如图图所所示示的的矩矩形形面面积积的的磁磁通量。通量。abI解：建立如图所示的坐标系解：建立如图所示的坐标系xx 处处磁感磁感应应强强度的大小度的大小为为：在在 x 处处取面元取面元dS，如，如图图元通量元通量静静电场电场：磁磁场场：下面

16、以下面以长长直直载载流流导线导线的磁的磁场为场为例例进进行行讨论讨论：1.电电流穿流穿过环过环路路LILd d r Bdl六六、真真空空中中磁磁场场的的安安培环路定理培环路定理若电流反向：若电流反向：ILd r Bdl2.多根多根载载流流导线导线穿穿过环过环路路六六、真真空空中中磁磁场场的的安安培环路定理培环路定理3.电电流在流在环环路之外路之外 在在真真空空的的恒恒定定磁磁场场中中，磁磁感感强强度度矢矢量量沿沿任任意意闭闭合合曲曲线线L的的线线积积分分(环环流流)，等等于于包包围围在在闭闭合曲合曲线线内各内各电电流代数和的流代数和的 0倍。倍。六六、真真空空中中磁磁场场的的安安培环路定理培环

17、路定理定律分析：定律分析：(1)成立条件：恒定成立条件：恒定电电流的磁流的磁场场；(2)L:场场中任一中任一闭闭合曲合曲线线安培安培环环路路 :环环路上各点路上各点总总磁感磁感应应强强度度,(L内外所有内外所有电电流流产产生生)；穿穿过过以以L为边为边界的任意曲面界的任意曲面 的的电电流的代数和；流的代数和；(3)安培安培环环路定理揭示磁路定理揭示磁场场是非是非保守保守场场无无势场势场，涡涡旋旋场场。I内内的正的正负负符号与符号与L绕绕向的关系：向的关系：规规定：定：与与L绕绕向成右旋关系向成右旋关系 Ii 0 与与L绕绕向成左旋关系向成左旋关系 Ii 1,BB0,B 与与B0同向同向抗磁抗磁

18、质质：(水水银银、铜铜、硫、硫、氢氢、金、金、银银)r 1,B1,BB0,B 与与B0同向同向 r =0 B=0 完全抗磁性完全抗磁性2.磁介磁介质质分分类类：磁介质中磁场：磁介质中磁场：相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率二、磁介质中的高斯定二、磁介质中的高斯定理和安培环路定理理和安培环路定理1.磁化磁化电电流流 介介质质磁磁化化的的宏宏观观效效果果是是在在介介质质横横截截面面边边缘缘出出现现环环形形电电流流，这这种种电电流流称称为为“磁磁化化电电流流Is”。I0IS磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁磁化化电电流流是是分分子子内内电电荷荷运运动动一一段段段段接接合合而而成成，

19、不不同同于于传传导导电电流流的的电电荷荷定定向向运运动动，又又称称束束缚缚电电流流，其其磁磁效效应应与与传传导导电电流流相相当当，但不产生热效应但不产生热效应。2.有磁介有磁介质时质时的高斯定的高斯定理理磁磁介质中磁场：介质中磁场：由磁化电流产生的微观机理可知：磁由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效。化电流与传导电流在产生磁场方面等效。3.有磁介有磁介质时质时的安培的安培环环路定理路定理定定义义：磁：磁场场强强度度介介质质的磁的磁导导率率可以可以证证明：明：只与穿只与穿过过L的的传导电传导电流代数和有关流代数和有关此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢