电流与磁场课程大学物理厦门大学.pptx

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1、8-1 8-1 稳恒电流和稳恒电场稳恒电流和稳恒电场 电动势电动势8-2 8-2 磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度8-3 8-3 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律 8-4 8-4 磁场的高斯定理磁场的高斯定理8-5 8-5 安培环路定理安培环路定理8-6 8-6 磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用8-7 8-7 磁场对电流的作用磁场对电流的作用8-8 8-8 磁介质磁介质第1页/共129页第2页/共129页一、电流强度与电流密度一、电流强度与电流密度 1 1 1 1、电流、电流、电流、电流 电流：电流：电流：电流：导体内的载流子定向运动而形成电流。导体内的载流子定向运动而形成电流。2 2 2

2、 2、电流强度：、电流强度：、电流强度：、电流强度：单位时间里通过导体某一截面的电量：单位时间里通过导体某一截面的电量：形成电流的条件形成电流的条件形成电流的条件形成电流的条件:1)1)导体中有载流子；导体中有载流子；2)2)导体中有电场存在或导体两端有电势差导体中有电场存在或导体两端有电势差.第3页/共129页2 2 2 2、电流密度、电流密度、电流密度、电流密度电流密度电流密度:通过垂直于正电荷运动方向的单位面积的电流强度:图34IdII第4页/共129页电流密度与载流子的运动速度的关系电流密度与载流子的运动速度的关系电流密度与载流子的运动速度的关系电流密度与载流子的运动速度的关系:图10

3、1I udt第5页/共129页 电流密度为矢量电流密度为矢量电流密度为矢量电流密度为矢量,其方向沿正电荷运动的速度方向其方向沿正电荷运动的速度方向其方向沿正电荷运动的速度方向其方向沿正电荷运动的速度方向:电流密度反映了电流在载流导体内的分布电流密度反映了电流在载流导体内的分布电流密度反映了电流在载流导体内的分布电流密度反映了电流在载流导体内的分布:电流线电流线电流线电流线:形象反映导体中电流的分布。形象反映导体中电流的分布。形象反映导体中电流的分布。形象反映导体中电流的分布。第6页/共129页第7页/共129页3 3 3 3、电流强度与电流密度的关系、电流强度与电流密度的关系、电流强度与电流密

4、度的关系、电流强度与电流密度的关系:第8页/共129页4 4 4 4、稳恒电流的条件：、稳恒电流的条件：、稳恒电流的条件：、稳恒电流的条件：图35I1I2I1II2I1=I2I=I1+I2第9页/共129页二、欧姆定律及其微分形式二、欧姆定律及其微分形式1 1 1 1、欧姆定律、欧姆定律、欧姆定律、欧姆定律图37I第10页/共129页2 2 2 2、欧姆定律的微分形式、欧姆定律的微分形式、欧姆定律的微分形式、欧姆定律的微分形式图37I dldI第11页/共129页图38OR2R1,第12页/共129页第13页/共129页三、电源及电源电动势三、电源及电源电动势 +A AB B+-+1 1 1

5、1、电源、电源、电源、电源非静电力：非静电力：非静电力：非静电力：非静电场的场强非静电场的场强电源：电源：电源：电源：能提供非静电力以把其它形式的能量转化为能提供非静电力以把其它形式的能量转化为电能的装置电能的装置.第14页/共129页第15页/共129页2 2 2 2、电源的电动势、电源的电动势、电源的电动势、电源的电动势 在电源内将单位正电荷从负极移动到正极的过在电源内将单位正电荷从负极移动到正极的过程中非静电力所作的功：程中非静电力所作的功：闭合回路的电动势：闭合回路的电动势：第16页/共129页四、含源电路的欧姆定律四、含源电路的欧姆定律1 1 1 1、全电路的欧姆定律、全电路的欧姆定

6、律、全电路的欧姆定律、全电路的欧姆定律图41,r RI第17页/共129页一般地：一般地：第18页/共129页2 2 2 2、一段含源电路的欧姆定律、一段含源电路的欧姆定律、一段含源电路的欧姆定律、一段含源电路的欧姆定律 图43A 1,r1R1 I1 I2R2 2,r2 R3 3,r3I3B C第19页/共129页一般地：一般地：第20页/共129页解：图44R1=2()1=8(V)r1=1()R2=3()2=36(V)r2=1()BAI第21页/共129页第22页/共129页一、磁现象的本质一、磁现象的本质1 1 1 1、磁现象、磁现象、磁现象、磁现象 早期观测的磁现象早期观测的磁现象早期观

7、测的磁现象早期观测的磁现象第23页/共129页第24页/共129页奥斯特实验（奥斯特实验（奥斯特实验（奥斯特实验（1819181918191819年）年）年）年）N NS SI I 在载流导线附近的小磁针会发生偏转在载流导线附近的小磁针会发生偏转在载流导线附近的小磁针会发生偏转在载流导线附近的小磁针会发生偏转第25页/共129页安培实验（安培实验（安培实验（安培实验（1820182018201820年）年）年）年）S SN NF FI I（1 1）磁体附近的载流导线受到力的作用：）磁体附近的载流导线受到力的作用：第26页/共129页（2 2 2 2）电流与电流之间存在相互作用：）电流与电流之间

8、存在相互作用：）电流与电流之间存在相互作用：）电流与电流之间存在相互作用：I II I+-I II I+-第27页/共129页S+（3 3 3 3）磁场对运动电荷的作用：）磁场对运动电荷的作用：）磁场对运动电荷的作用：）磁场对运动电荷的作用：电子束电子束N第28页/共129页2.2.2.2.磁现象的本质磁现象的本质磁现象的本质磁现象的本质 一一切切磁磁现现象象都都起起源源于于运运动动电电荷荷（电电流流），磁磁相相互互作用的本质是运动电荷（电流）之间的相互作用。作用的本质是运动电荷（电流）之间的相互作用。分分分分子子子子环环环环流流流流：电电电电子子子子绕绕绕绕原原原原子子子子核核核核运运运运动

9、动动动和和和和电电电电子子子子自自自自旋旋旋旋所所所所形形形形成成成成的的的的电电电电流流流流。物物物物质质质质的的的的磁磁磁磁性性性性取取取取定定定定于于于于物物物物质质质质中中中中分分分分子子子子电电电电流流流流的的的的磁磁磁磁效效效效应应应应之之之之总总总总和。和。和。和。第29页/共129页第30页/共129页二、磁场二、磁场1.1.1.1.磁相互作用的场的观点磁相互作用的场的观点磁相互作用的场的观点磁相互作用的场的观点 2.2.2.2.磁场：磁场：磁场：磁场：3.3.3.3.磁场的的基本性质：磁场的的基本性质：磁场的的基本性质：磁场的的基本性质：对处在磁场中的运动电荷（电流）产生力的

10、作用对处在磁场中的运动电荷（电流）产生力的作用 运动电荷（电流）周围空间存在的一种场。运动电荷（电流）周围空间存在的一种场。运动电荷磁场运动电荷第31页/共129页三、磁感应强度三、磁感应强度描述磁场性质的物理量描述磁场性质的物理量描述磁场性质的物理量描述磁场性质的物理量+v vF F F F F F F Fmaxmaxmaxmax定义磁感应强度的大小：定义磁感应强度的大小：定义磁感应强度的大小：定义磁感应强度的大小：定义磁感应强度的方向：定义磁感应强度的方向：定义磁感应强度的方向：定义磁感应强度的方向：第32页/共129页第33页/共129页第34页/共129页一、毕奥一、毕奥萨伐尔定律萨伐

11、尔定律 P P P Pd dB BI Id dl lr r 第35页/共129页电流元电流元电流元电流元:(o o=4=4 1010-7 -7 TmATmA-1-1)P P P Pd dB BI Id dl lr r 第36页/共129页P P P Pd dB BI Id dl lr r 第37页/共129页二、毕奥二、毕奥萨伐尔定律的应用萨伐尔定律的应用1.1.1.1.解题要点解题要点解题要点解题要点第38页/共129页2.2.2.2.几种常见电流的磁场几种常见电流的磁场几种常见电流的磁场几种常见电流的磁场(I)(I)(I)(I)（1 1 1 1）直线电流的磁场：）直线电流的磁场：）直线电流

12、的磁场：）直线电流的磁场：2 2o o 1 1P Pa a I Id dB Br rd dx xx x第39页/共129页解解:无限长载流导线：无限长载流导线：1 1=0 0,2 2 =第40页/共129页x xx xP PR R解：解：d dB Bx xd dB By yB By y =0=0 r rd dB B （2 2 2 2）环形电流的磁场）环形电流的磁场）环形电流的磁场）环形电流的磁场 第41页/共129页x=x=0 0（圆心）：（圆心）：I I第42页/共129页（3 3 3 3）载流直螺线管内部的磁场载流直螺线管内部的磁场载流直螺线管内部的磁场载流直螺线管内部的磁场 图5PR x

13、 dx第43页/共129页无限长螺线管：无限长螺线管：第44页/共129页oyxIPya例例例例8-38-38-38-3、无限长载流平板，宽度为无限长载流平板，宽度为无限长载流平板，宽度为无限长载流平板，宽度为a a，电流强度为，电流强度为，电流强度为，电流强度为I I。求正上方处求正上方处求正上方处求正上方处 P P 点的磁感应强度。点的磁感应强度。点的磁感应强度。点的磁感应强度。d dB Bd dB Bx xd dB By y xdxrdI第45页/共129页解：解：第46页/共129页例例例例8-48-4、半半半半径径径径为为为为 R R 的的的的圆圆圆圆盘盘盘盘均均均均匀匀匀匀带带带带

14、电电电电，电电电电荷荷荷荷密密密密度度度度为为为为 。若若若若该该该该圆圆圆圆盘盘盘盘以以以以角角角角速速速速度度度度 绕绕绕绕圆圆圆圆心心心心 O O 旋旋旋旋转转转转，求求求求轴轴轴轴线线线线上上上上距距距距圆圆圆圆心心心心 x x 处的磁感应强度。处的磁感应强度。处的磁感应强度。处的磁感应强度。Pxx RodrrRdB第47页/共129页Pxx RodrrRdB解：解：第48页/共129页第49页/共129页一、磁感应线一、磁感应线1.1.1.1.定义定义定义定义 2.2.2.2.性质性质性质性质1 1）永远闭合（与电流相互套联）永远闭合（与电流相互套联）2 2）永不相交）永不相交第50

15、页/共129页第51页/共129页第52页/共129页第53页/共129页二、磁通量二、磁通量 通通过过磁磁场场中中任任一一给给定定曲曲面面的的磁磁力力线线总总数数，称为通过该曲面的磁通量称为通过该曲面的磁通量 d dS S闭合曲面：闭合曲面：第54页/共129页第55页/共129页三、磁场的高斯定理三、磁场的高斯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 高斯定理表明，磁场是无源场高斯定理表明，磁场是无源场高斯定理表明，磁场是无源场高斯定理表明，磁场是无源场.第56页/共129页例例例例8-58-5 如图，已知：如图，已知：如图，已知：如图，已知：I I，a a

16、，b b，l l，求：通过矩形平求：通过矩形平求：通过矩形平求：通过矩形平面的磁通量。面的磁通量。面的磁通量。面的磁通量。rdr第57页/共129页解：解：rdr第58页/共129页第59页/共129页一、一、安培环路定理安培环路定理无限长直电流的磁场：无限长直电流的磁场：无限长直电流的磁场：无限长直电流的磁场：r rd dr rr rr r+j jd dB Br r l l d dr rr rr ra ab bc cI I第60页/共129页一般情况：一般情况：一般情况：一般情况：第61页/共129页图8I1I3 I2第62页/共129页二、安培环路定理的应用二、安培环路定理的应用 求解具有

17、对称性的磁场分布求解具有对称性的磁场分布求解具有对称性的磁场分布求解具有对称性的磁场分布1 1 1 1、解题要点、解题要点、解题要点、解题要点:第63页/共129页2.2.2.2.几种常见电流的磁场（几种常见电流的磁场（几种常见电流的磁场（几种常见电流的磁场（IIIIIIII）（1 1 1 1）无限长圆柱形载流导体的磁场）无限长圆柱形载流导体的磁场）无限长圆柱形载流导体的磁场）无限长圆柱形载流导体的磁场 第64页/共129页第65页/共129页（2 2 2 2）长直螺线管的磁场）长直螺线管的磁场）长直螺线管的磁场）长直螺线管的磁场第66页/共129页图9abdc第67页/共129页（3 3 3

18、 3）螺线环内的磁场）螺线环内的磁场）螺线环内的磁场）螺线环内的磁场 r r第68页/共129页解：解：解：解：图图105105O OR RI IR RR RA AB BC CD D r rdrdr第69页/共129页第70页/共129页一、洛仑兹力一、洛仑兹力一般情况：一般情况：第71页/共129页结论结论大小：大小：大小：大小：方向：方向：方向：方向：第72页/共129页（1 1 1 1）运动方向与磁场方向平行）运动方向与磁场方向平行）运动方向与磁场方向平行）运动方向与磁场方向平行+B Bv v二、带电粒子在均匀磁场中的运动二、带电粒子在均匀磁场中的运动匀速直线运动匀速直线运动第73页/共

19、129页（2 2 2 2）运动方向与磁场方向垂直）运动方向与磁场方向垂直）运动方向与磁场方向垂直）运动方向与磁场方向垂直匀速圆周运动匀速圆周运动匀速圆周运动匀速圆周运动周期周期周期周期半径半径半径半径 B BR RF F+v v第74页/共129页第75页/共129页（3 3 3 3）运动方向沿任意方向）运动方向沿任意方向）运动方向沿任意方向）运动方向沿任意方向B B螺距螺距螺距螺距h h +v v沿螺旋线轨道运动沿螺旋线轨道运动沿螺旋线轨道运动沿螺旋线轨道运动半径半径半径半径第76页/共129页第77页/共129页例例例例8-58-5、有有有有一一一一均均均均匀匀匀匀磁磁磁磁场场场场，其其其

20、其磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度 B B=1.5 1.5 T T，水水水水平平平平地地地地由由由由南南南南指指指指向向向向北北北北。如如如如果果果果有有有有一一一一个个个个 5.0 5.0 兆兆兆兆电电电电子子子子伏伏伏伏特特特特的的的的质质质质子子子子沿沿沿沿竖竖竖竖直直直直向向向向下下下下的的的的方方方方向向向向通通通通过过过过磁磁磁磁场场场场，问问问问作作作作用用用用在在在在质质质质子子子子上上上上的的的的力力力力有有有有多大？（多大？（多大？（多大？（质子质量质子质量质子质量质子质量 mm=1.67=1.67 1010-27-27 kg kg）解解方向向东方向向东第78页/共

21、129页三、应用电场和磁场控制带电粒子的实例三、应用电场和磁场控制带电粒子的实例1 1 1 1、质谱仪、质谱仪、质谱仪、质谱仪R R+-P P N N B B速度选择速度选择速度选择速度选择质谱分析：质谱分析：质谱分析：质谱分析：第79页/共129页第80页/共129页 2 2 2 2、磁聚焦、磁聚焦、磁聚焦、磁聚焦与速度方向无关。与速度方向无关。与速度方向无关。与速度方向无关。第81页/共129页第82页/共129页3 3 3 3、磁约束、磁约束、磁约束、磁约束第83页/共129页第84页/共129页第85页/共129页第86页/共129页极光：极光：由于地磁场俘获带电粒子而出现的现象由于地

22、磁场俘获带电粒子而出现的现象第87页/共129页在地磁两极附近在地磁两极附近在地磁两极附近在地磁两极附近 由于磁感线与地面垂直由于磁感线与地面垂直由于磁感线与地面垂直由于磁感线与地面垂直 外层空间入射外层空间入射外层空间入射外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内的带电粒子可直接射入高空大气层内的带电粒子可直接射入高空大气层内的带电粒子可直接射入高空大气层内 它们和空气分子的它们和空气分子的它们和空气分子的它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光碰撞产生的辐射就形成了极光碰撞产生的辐射就形成了极光碰撞产生的辐射就形成了极光绚丽多彩的极光绚丽多彩的极光第88页/共129页四、霍耳效应四、霍

23、耳效应1 1 1 1、霍耳效应现象、霍耳效应现象、霍耳效应现象、霍耳效应现象h hb bI II I+-B B U U-v vF Fe eF Fmm第89页/共129页第90页/共129页2 2 2 2、霍耳电压、霍耳电压、霍耳电压、霍耳电压 hbII+-B U-vFeFm第91页/共129页3 3 3 3、霍耳效应的应用、霍耳效应的应用、霍耳效应的应用、霍耳效应的应用 1 1 1 1）测量磁场）测量磁场）测量磁场）测量磁场2 2 2 2）判别半导体的类型）判别半导体的类型）判别半导体的类型）判别半导体的类型3 3 3 3）磁流体发电）磁流体发电）磁流体发电）磁流体发电第92页/共129页第9

24、3页/共129页第94页/共129页一、安培定律一、安培定律图图1717v v q qB BI Idldl v v第95页/共129页 二、载流导线所受磁场力二、载流导线所受磁场力第96页/共129页 R RO O图图1414I I第97页/共129页图图1414R RO O 第98页/共129页r rx x I I1 1I I2 2例例例例8-78-78-78-7、无无无无限限限限长长长长直直直直载载载载流流流流导导导导线线线线通通通通有有有有电电电电流流流流 I I1 1，在在在在同同同同一一一一平平平平面面面面内内内内有有有有长长长长为为为为L L的的的的载载载载流流流流直直直直导导导导

25、线线线线，通通通通有有有有电电电电流流流流I I2 2。求求求求长长长长为为为为 L L的的的的导导导导线所受的磁场力。线所受的磁场力。线所受的磁场力。线所受的磁场力。d dx xx xl l解解d dl ld dF F第99页/共129页 三、载流线圈所受磁力矩三、载流线圈所受磁力矩矩形线圈矩形线圈矩形线圈矩形线圈 图图15(a)15(a)a ab bd dc cl l1 1l l2 2 O O I I 第100页/共129页l1abO图15(b)第101页/共129页一般平面线圈：一般平面线圈：一般平面线圈：一般平面线圈：I IS S线圈的磁矩：线圈的磁矩：（N N 匝匝 ）第102页/共

26、129页图图110110O OB BA AX XY YR RI第103页/共129页解：解：第104页/共129页第105页/共129页1 1 1 1、磁力对运动载流导线的功、磁力对运动载流导线的功、磁力对运动载流导线的功、磁力对运动载流导线的功四、四、磁力的功磁力的功第106页/共129页2 2 2 2、磁力对转动载流线圈的功、磁力对转动载流线圈的功、磁力对转动载流线圈的功、磁力对转动载流线圈的功l1abO图15(b)第107页/共129页一般情况：一般情况：一般情况：一般情况：第108页/共129页例例例例8-98-9、如如如如图图图图所所所所示示示示，求求求求：（1 1）线线线线圈圈圈圈

27、所所所所受受受受磁磁磁磁力力力力矩矩矩矩的的的的大大大大小小小小和方向。（和方向。（和方向。（和方向。（2 2）线圈转过）线圈转过）线圈转过）线圈转过9090，磁力矩所做的功。，磁力矩所做的功。，磁力矩所做的功。，磁力矩所做的功。解解B BI I（1 1）（2 2）第109页/共129页第110页/共129页一、磁介质的分类一、磁介质的分类锰、铬、铂、氮锰、铬、铂、氮水银、铜、硫、氢、金、银水银、铜、硫、氢、金、银铁、镍、钴、铁氧体铁、镍、钴、铁氧体顺磁质顺磁质 抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质第111页/共129页二、磁介质的磁化二、磁介质的磁化+-分子磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩1 1 1 1、顺

28、磁质的磁化、顺磁质的磁化、顺磁质的磁化、顺磁质的磁化第112页/共129页顺磁质的磁化过程：顺磁质的磁化过程：顺磁质的磁化过程：顺磁质的磁化过程：图图3939第113页/共129页第114页/共129页抗顺磁质的分子附加磁矩：抗顺磁质的分子附加磁矩：抗顺磁质的分子附加磁矩：抗顺磁质的分子附加磁矩：2 2 2 2、抗磁质的磁化、抗磁质的磁化、抗磁质的磁化、抗磁质的磁化图图4040e ee e第115页/共129页第116页/共129页顺磁质的磁化过程：顺磁质的磁化过程：顺磁质的磁化过程：顺磁质的磁化过程：图图4141第117页/共129页三、三、磁化强度矢量磁化强度矢量 磁化电流磁化电流顺磁质顺

29、磁质顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质抗磁质抗磁质第118页/共129页1 1 1 1、定义磁化强度、定义磁化强度、定义磁化强度、定义磁化强度第119页/共129页2 2 2 2、磁化电流、磁化电流、磁化电流、磁化电流一般情况：一般情况：一般情况：一般情况：c cb ba ad d第120页/共129页四、存在磁介质时的高斯定理和安培环路定理四、存在磁介质时的高斯定理和安培环路定理高斯定理仍成立高斯定理仍成立1 1 1 1、有磁介质存在时的高斯定理、有磁介质存在时的高斯定理、有磁介质存在时的高斯定理、有磁介质存在时的高斯定理第121页/共129页2 2、有磁介质存在时的安培环路定理、有磁介质存在时的安培

30、环路定理、有磁介质存在时的安培环路定理、有磁介质存在时的安培环路定理磁场强度：磁场强度：磁场强度：磁场强度：第122页/共129页 磁磁场场强强度度沿沿着着任任一一闭闭合合路路径径的的环环流流等等于于通通过过该该闭闭合路径所包围面积的传导电流的代数和，即：合路径所包围面积的传导电流的代数和，即：有磁介质时的安培环路定理：有磁介质时的安培环路定理：有磁介质时的安培环路定理：有磁介质时的安培环路定理：第123页/共129页均匀、线性的磁介质：均匀、线性的磁介质：均匀、线性的磁介质：均匀、线性的磁介质：一般情况：一般情况：一般情况：一般情况：第124页/共129页例例例例8-108-10、一一一一半

31、半半半径径径径为为为为 R R1 1 的的的的无无无无限限限限长长长长圆圆圆圆柱柱柱柱形形形形直直直直导导导导线线线线，外外外外面面面面包包包包一一一一层层层层半半半半径径径径为为为为 R R2 2，相相相相对对对对磁磁磁磁导导导导率率率率为为为为 r r 的的的的圆圆圆圆筒筒筒筒形形形形磁磁磁磁介介介介质质质质。通过导线的电流为通过导线的电流为通过导线的电流为通过导线的电流为 I I o o 。求：求：求：求：（1 1）磁磁磁磁介介介介质质质质内内内内、外外外外磁磁磁磁场场场场强强强强度度度度和和和和磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度的的的的分分分分布布布布；（2 2）磁介质内、外表面的磁化电流强度。磁介质内、外表面的磁化电流强度。磁介质内、外表面的磁化电流强度。磁介质内、外表面的磁化电流强度。I Io o r r r rR R2 2R R1 1L L第125页/共129页解：解：R R2 2R R1 1L L（1 1）第126页/共129页B Br rO OR R1 1R R2 2HHr rO OR R1 1R R2 2R R2 2R R1 1L L第127页/共129页 （2 2）第128页/共129页感谢您的观看！第129页/共129页