第十二章稳恒磁场课件.ppt
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1、第十二章第十二章 稳恒磁场稳恒磁场本本 章章 内内 容容补充内容:恒定电流;电源,电动势补充内容:恒定电流;电源,电动势1 12 2-1 1 磁磁 场场 1 12 2-2 2 毕毕 奥奥-萨萨伐伐尔尔定定律律及及其其应应用用1 12 2-3 3 磁磁场场的的高高斯斯定定理理1 12 2-4 4 安安培培环环路路定定理理1 12 2-5 5 磁磁场场对对载载流流导导线线的的作作用用1 12 2-6 6 带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中的的运运动动1 12 2-7 7 磁磁介介质质及及其其磁磁化化恒恒 定定 电电 流流一一 电流电流 电流密度电流密度 电流:电流:通过截面通过截面S 的电荷随时间的
2、的电荷随时间的 变化率变化率+:电子电子漂移速度漂移速度的大小的大小 电流密度电流密度:细致描述导体内各点电流:细致描述导体内各点电流分布的情况分布的情况.该点该点正正电荷电荷运动方向运动方向方向方向:大小大小:单位时间内:单位时间内过该点且垂直于正电荷过该点且垂直于正电荷运动方向的单位面积的运动方向的单位面积的电荷电荷二二 电流的连续性方程电流的连续性方程 恒定电流条件恒定电流条件 单位时间内通过闭合曲面向外流出的单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷,等于此时间内闭合电荷,等于此时间内闭合曲面内电荷的减少量曲面内电荷的减少量.恒定电流恒定电流 由由 ,若闭合曲面,若闭合曲面 S 内内的电荷不
3、随时间而变化,则的电荷不随时间而变化,则SI恒定电场恒定电场 (1)在恒定电流情况下,导体中电荷分在恒定电流情况下,导体中电荷分布不随时间变化形成恒定电场;布不随时间变化形成恒定电场;恒定电流恒定电流 (2)恒定电场恒定电场与静电场具有相似性质与静电场具有相似性质(高斯定理和环路定理),(高斯定理和环路定理),恒定电场可引入恒定电场可引入电势的概念;电势的概念;(3)恒定电场的存在伴随能量的转换恒定电场的存在伴随能量的转换.电源电源 电动势电动势 非静电力非静电力:能不断分离正负电荷使正电荷能不断分离正负电荷使正电荷逆静电场力方向运动逆静电场力方向运动.电源电源:提供非静电力:提供非静电力的装
4、置的装置.非静电非静电电场强度电场强度 :为单位正电荷所受的非静电力为单位正电荷所受的非静电力.+-电动势的定义:电动势的定义:单位正电荷绕闭合回路单位正电荷绕闭合回路运动一周,非静电力运动一周,非静电力所做的功所做的功.电动势:电动势:+-电源电动势的大小电源电动势的大小,等于将单位正电荷等于将单位正电荷从负极经电源内部移至正极时非静电力所作从负极经电源内部移至正极时非静电力所作的功的功.电源电动势电源电动势1 1 2 2-1 1 磁磁 场场 一一、基基 本本 磁磁 现现 象象 1 磁铁磁铁 N、S极同时存在;极同时存在;同名磁极相斥,异名磁极相吸同名磁极相斥,异名磁极相吸.SNSN NS2
5、 电流电流奥斯特实验奥斯特实验电电 流流3 磁现象的起源磁现象的起源 运动电荷运动电荷I磁场磁场磁场磁场二二、磁磁 场场 磁场磁场电电 流流(运动的电荷)(运动的电荷)电电 流流(运动的电荷)(运动的电荷)三、三、磁磁 感感 强强 度度 的的 定定 义义 带电粒子在磁场中运动所受的力与运带电粒子在磁场中运动所受的力与运动方向有关动方向有关.实实验验发发现现,带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中沿沿某某一一特特定定方方向向运运动动时时不不受受力力,此方向与电荷无关此方向与电荷无关.+带电粒子在磁场中沿其他方向运动时带电粒子在磁场中沿其他方向运动时,垂直垂直于于 与与 特定直线所组成的平面特定直线所组
6、成的平面.当带电粒子在磁场中垂直于此特定直当带电粒子在磁场中垂直于此特定直线运动时受力最大线运动时受力最大.大小与大小与 无关无关磁感强度磁感强度 的定义的定义 的大小的大小:正电荷垂直于特定直线运动时正电荷垂直于特定直线运动时,受力受力与电荷与电荷速度速度 的叉积的叉积方向方向:+单位:单位:特斯拉特斯拉运动电荷在磁场中受力运动电荷在磁场中受力+说说明明(1)是空间位置的函数;是空间位置的函数;(2)满足叠加原理。满足叠加原理。1 12 2-2 2 毕毕 奥奥-萨萨伐伐尔尔定定律律及及其其应应用用一一 毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律真空磁导率真空磁导率 P*任意载流导线在点任意载流导线在点 P
7、 处的磁感强度处的磁感强度P*磁感强度磁感强度叠加原理叠加原理例例 判断下列各点磁感强度的方向和大小判断下列各点磁感强度的方向和大小.1、5点点:3、7点点:2、4、6、8 点点:毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律14567823 1、载流长直导线的磁场载流长直导线的磁场.解解二二 毕奥萨伐尔定律应用举例毕奥萨伐尔定律应用举例 方向均沿方向均沿 x 轴的负方向轴的负方向PCD*的方向沿的方向沿 x 轴负方向轴负方向PCD*说说明明(1)无限长)无限长载流长直导线载流长直导线(2)半无限长)半无限长载流长直导线载流长直导线PCD 无限长载流长直导线的磁场无限长载流长直导线的磁场IBIBX X 电流与磁
8、感强度成电流与磁感强度成右手螺旋关系右手螺旋关系 2、圆形载流导线轴线上的磁场圆形载流导线轴线上的磁场.pI分析点分析点P处磁场方向得:处磁场方向得:p*IpI讨讨论论(1)若线圈有若线圈有 匝匝(2)(3)R (3)oIIRo (1)推推广广o (2)RI Ad(4)*oI(5)*如图所示,有一长为如图所示,有一长为l,半径为,半径为R的载的载流密绕直螺线管,螺线管的总匝数为流密绕直螺线管,螺线管的总匝数为N,通,通有电流有电流I.设把螺线管放在真空中,求管内设把螺线管放在真空中,求管内轴线上一点处的磁感强度轴线上一点处的磁感强度.3、载流直螺线管内部的磁场载流直螺线管内部的磁场.PR*螺线
9、管可看成螺线管可看成圆形电流的组合圆形电流的组合由圆形电流磁场公式由圆形电流磁场公式RO *PR OR *O 讨讨 论论(1)P点位于管内点位于管内轴线中点轴线中点R *P若若R *P对于无限长的对于无限长的螺线管螺线管 或由或由故故R *P(2)半无限长)半无限长螺线管的一端螺线管的一端 比较上述结果可以看出,半比较上述结果可以看出,半“无限长无限长”螺线螺线管轴线上端点的磁感强度只有管内轴线中点磁感管轴线上端点的磁感强度只有管内轴线中点磁感强度的一半强度的一半.R *PxBO 下图给出长直螺线管内轴线上磁感强下图给出长直螺线管内轴线上磁感强度的分布度的分布.从图可以看出,密绕载流长直螺线管
10、内从图可以看出,密绕载流长直螺线管内轴线中部附近的磁场完全可以视作均匀磁场轴线中部附近的磁场完全可以视作均匀磁场.例例12-11 12 2-3 3 磁磁场场的的高高斯斯定定理理一一 磁感线磁感线III 切线方向切线方向 的方向;的方向;疏密程度疏密程度 的大小的大小.SNI二二 磁通量磁通量 磁场的高斯定理磁场的高斯定理磁场中某点处垂直磁场中某点处垂直 矢量的单位面积上矢量的单位面积上通过的磁感线数目等于该点通过的磁感线数目等于该点 的数值的数值.磁通量:磁通量:通过通过某曲面的磁感线数某曲面的磁感线数 匀强磁场中,通匀强磁场中,通过过面曲面面曲面S的磁通量:的磁通量:一般情况一般情况 物理意
11、义:物理意义:通过任意闭合曲面的磁通通过任意闭合曲面的磁通量必等于零(量必等于零(故磁场是故磁场是无源的无源的).磁场高斯定理磁场高斯定理 例例 如图载流长直导线的电流为如图载流长直导线的电流为 ,试求,试求通过矩形面积的磁通量通过矩形面积的磁通量.解解xdx1 12 2-4 4 安安培培环环路路定定理理一一 安培环路定理安培环路定理o 设闭合回路设闭合回路 为圆形回路为圆形回路,与与 成成右右螺旋螺旋若若回路绕向为回路绕向为逆逆时针时针对任意形状的回路对任意形状的回路o电流在回路之外电流在回路之外 多电流情况多电流情况 推广:推广:安培环路定理安培环路定理安培环路定理安培环路定理 在真空的恒
12、定磁场中,磁感强度在真空的恒定磁场中,磁感强度 沿任沿任一闭合路径的积分的值,等于一闭合路径的积分的值,等于 乘以该闭合乘以该闭合路径所穿过的各电流的代数和路径所穿过的各电流的代数和.电流电流 正负正负的规定:的规定:与与 成成右右螺旋螺旋时,时,为为正正;反反之为之为负负.注意注意 (1)是否与回路是否与回路 外电流有关外电流有关?(2)若若 ,是否回路,是否回路 上各处上各处?是否回路是否回路 内无电流穿过内无电流穿过?讨论:讨论:二二 安培环路定理的应用举例安培环路定理的应用举例例例12-3 无限长载流圆柱体的无限长载流圆柱体的 磁场磁场解(解(1)对称性分析对称性分析(2)的方向与的方
13、向与 成右螺旋成右螺旋例例 无限长载流圆柱面的磁场无限长载流圆柱面的磁场解解 例例12-4 求载流螺绕环内的磁场求载流螺绕环内的磁场 解解 (1)对称性分析:环内对称性分析:环内 线为同心线为同心圆,环外圆,环外 为零为零.令令(2)选回路选回路当当 时,螺绕环内可视为均匀场时,螺绕环内可视为均匀场.例例12-5 求无限长载流螺线管内的磁场分布求无限长载流螺线管内的磁场分布解解 1)对称性分析对称性分析:螺旋管螺旋管内内为均匀场为均匀场,方向沿轴向方向沿轴向,外外部磁场部磁场趋于零趋于零,即,即 2)选矩形回路选矩形回路L+磁场磁场 的方向的方向与电流与电流 成成右手右手螺旋螺旋.n为螺线管每
14、单位为螺线管每单位长度的匝数长度的匝数理想螺线管理想螺线管1 12 2-5 5 磁磁场场对对载载流流导导线线的的作作用用一一 安培力安培力 有限长载流导线所受的安培力有限长载流导线所受的安培力例例12-6 在一电流强度为在一电流强度为 的无限长载流的无限长载流导线所激发的磁场中,有一段载流导线,导线所激发的磁场中,有一段载流导线,电流强度为电流强度为 ,如图所示。求此段载流导,如图所示。求此段载流导线所受的安培力。线所受的安培力。解:解:例例 如图一通有电流如图一通有电流 半径为半径为 的半圆的半圆形导线放在磁感应强度为形导线放在磁感应强度为 的均匀磁场中,的均匀磁场中,导线平面与磁感强度导线
15、平面与磁感强度 垂直垂直.电流为顺电流为顺时针方向,求磁场作用于半圆形导线的力时针方向,求磁场作用于半圆形导线的力.ABCo解:解:例例 求如图不规求如图不规则的平面载流导线在则的平面载流导线在均匀磁场中所受的力,均匀磁场中所受的力,已知已知 和和 .PL 结论结论 任意平面载流导线在均匀磁场任意平面载流导线在均匀磁场中所受的力,与其始点和终点相同的载流中所受的力,与其始点和终点相同的载流直导线所受的磁场力相同直导线所受的磁场力相同.二二 两平行无限长直电流之间的相互作用两平行无限长直电流之间的相互作用导线导线2单位长度上所受的安培力为单位长度上所受的安培力为同理,导线同理,导线1单位长度上所
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