物理恒定电流的磁场.pptx

《物理恒定电流的磁场.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理恒定电流的磁场.pptx（72页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1几种典型的电流分布几种典型的电流分布粗细均匀的粗细均匀的金属导体金属导体粗细不均匀粗细不均匀的金属导线的金属导线半球形接地电半球形接地电极附近的电流极附近的电流第1页/共72页2电阻法勘探矿电阻法勘探矿藏时的电流藏时的电流同轴电缆中同轴电缆中的漏电流的漏电流导体中不同部分电流分布不同，电流强度导体中不同部分电流分布不同，电流强度I I 不能不能细致反映导体中各点电流分布。细致反映导体中各点电流分布。几种典型的电流分布几种典型的电流分布第2页/共72页3方向：方向：与该点正电荷运动方向一致与该点正电荷运动方向一致大小：大小：通过垂直于电流方向的单位面积的电流通过垂直于电流方向的单位面积的电流单

2、位单位：A/m2电流强度与电流密度的关系：电流强度与电流密度的关系：电流密度矢量：第3页/共72页4二、电源：把正电荷从低电势移到高电势的装二、电源：把正电荷从低电势移到高电势的装置置+rIR恒定恒定电流电流 静电场静电场非静电场非静电场非静电场反抗静电场作功+-第4页/共72页5核能化学能水能太阳能热能第5页/共72页6电动势的正方向：电动势的正方向：由负极经电源内到正极，即由负极经电源内到正极，即电势（由静电场产生）升高的方向电势（由静电场产生）升高的方向电电源源的的电电动动势势：把把单单位位正正电电荷荷从从负负极极经经电电源源内内移到正极所作的功移到正极所作的功（标量）（标量）e-+（单

3、位：（单位：J/C，即，即V）第6页/共72页78-2 磁感应强度磁感应强度一、对磁现象的认识：天然磁石可吸引铁、钴、镍地球本身为一个大磁体任一磁铁总是两极同时存在，在自然界不存在独立的N极、S极。同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。磁性物体通过磁场相互作用“超距作用”第7页/共72页8I IN NS S在历史上很长一段时期里,人们曾认为磁和电是两类截然不同的现象。1819年，奥斯特首次发现了电流与磁铁间有力的作用，才逐渐揭开了磁现象与电现象的内在联系。奥斯特实验载流导线周围的磁针会受磁力作用而偏转第8页/共72页9 电荷电荷(不论静止或运动不论静止或运动)在其周围空间激发电在其周围空间激发电

4、场场,而运动电荷在周围空间还要激发磁场而运动电荷在周围空间还要激发磁场:在电在电磁场中磁场中,静止的电荷只受到电力的作用静止的电荷只受到电力的作用,而运动而运动电荷除受到电力作用外电荷除受到电力作用外,还受到磁力的作用。电还受到磁力的作用。电流或运动电荷之间相互作用的磁力是通过磁场流或运动电荷之间相互作用的磁力是通过磁场而作用的而作用的,故磁力也称为故磁力也称为磁场力磁场力。18221822年，安培提出：年，安培提出：“磁现象的电本质是运动的电荷产生磁场。磁现象的电本质是运动的电荷产生磁场。”分子电流假设第9页/共72页10注意注意:这里所说的运动和静止都是相对观察者说的这里所说的运动和静止都

5、是相对观察者说的,同一客观存在的场同一客观存在的场,它在某一参考系表现为磁场它在某一参考系表现为磁场,而在另一参考系中却可能表现为电场。而在另一参考系中却可能表现为电场。运动电荷运动电荷静电荷电场 静电荷磁场 第10页/共72页11设带电量为q，速度为v的运动试探电荷处于磁场中：二、磁感应强度（1）磁力的方向总是与电荷运动方向垂直；（2）点处存在着一个特定的方向，当电荷沿此方向或相反方向运动时，所受到的磁力为零，与电荷本身性质无关;（3）电荷沿此特定方向垂直的方向运动时所受到的磁力最大，且力与qv的比值与q、v无关，反映了磁场在该点的方向和强弱特征。第11页/共72页12方向：根据右手螺旋法则

6、确定大小：单位：特斯拉（T），或高斯（Gs）磁感应强度（矢量）第12页/共72页13人体磁场极弱，人体磁场极弱，如心电激发磁场如心电激发磁场约约310-10T。测人测人体内磁场分布可体内磁场分布可诊断疾病，图示诊断疾病，图示磁共振图象磁共振图象。地球磁场约地球磁场约510-5T。大型电磁铁磁大型电磁铁磁场可大于场可大于2T。超导磁体能激超导磁体能激发高达发高达25T磁磁场；原子核附场；原子核附近可达近可达104T；脉冲星表面高脉冲星表面高达达 108T一些磁场的大小：一些磁场的大小：第13页/共72页14一些典型磁体的磁场分布：一些典型磁体的磁场分布：直线电流的磁场直线电流的磁场圆形电流的磁场

7、圆形电流的磁场第14页/共72页15直螺线管电流的磁感线环形螺线管电流的磁感线一些典型磁体的磁场分布：一些典型磁体的磁场分布：第15页/共72页16三、磁感应线和磁通量B B1.磁感应线上任意一点的切向代表该点B的方向；2.垂直通过某点单位面积上的磁感应线数目等于该点B 的大小；3.磁感应线密集处磁场强；磁感应线稀疏处磁场弱。SB磁感应线第16页/共72页磁感应线的性质：1.与电流相互套链；2.闭合曲线(磁单极子不存在)；3.互不相交；4.方向与电流成右手螺旋关系。第17页/共72页磁通量:dSen单位：单位：韦伯韦伯(Wb)(Wb)取面积微元dS：对整个曲面：穿过磁场中任一给定曲面的磁感应线

8、总数（1）均匀磁场中（2）非均匀磁场中第18页/共72页19一、毕萨定律（实验律，1820年）真空磁导率恒定电流恒定电流的电流元的电流元在在 p点产点产 生的磁场：生的磁场：Ip电流 I 在P点的磁场：8.3 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律B叠加原理第19页/共72页20运动点电荷磁场公式运动点电荷磁场公式 毕毕萨定律：萨定律：Sdln,qvP点电荷点电荷q在在p点的磁场（点的磁场（vc）：）：电流元磁场电流元磁场第20页/共72页21证毕。证毕。第21页/共72页22【例例1】直线电流的磁场直线电流的磁场无限长电流：无限长电流：方向指方向指向里向里第22页/共72页I无限长直线电流的磁场第23

9、页/共72页24【例例2】圆电流轴线上的磁场圆电流轴线上的磁场I o第24页/共72页25无限长直电流的磁场无限长直电流的磁场圆电流中心的磁场圆电流中心的磁场I o第25页/共72页I圆电流的磁场第26页/共72页27内部轴线上的磁场内部轴线上的磁场端口中心处的磁场端口中心处的磁场计算各匝圆电流在计算各匝圆电流在 p 点磁场的矢量积分点磁场的矢量积分（练习）（练习）n,I p【例例3】密绕长直螺线管轴线上的磁场密绕长直螺线管轴线上的磁场第27页/共72页II通电螺线管的磁场B第28页/共72页8-4 磁高斯定理与安培环路定理思考：通过任意封闭曲面的磁通量是多少？第29页/共72页磁场是磁场是“

10、无源场无源场”，不存在磁单极子，不存在磁单极子由由于于磁磁感感应应线线是是闭闭合合线线，在在任任意意磁磁场场中中，通过任意封闭曲面的磁通量总等于零。通过任意封闭曲面的磁通量总等于零。一、稳恒磁场的高斯定理 狄拉克狄拉克（P.A.M.Dirac，1931）提出，已提出，已有的量子理论允许存在磁单极子。如果在实有的量子理论允许存在磁单极子。如果在实验中找到了磁单极子，磁场的高斯定理和整验中找到了磁单极子，磁场的高斯定理和整个电磁理论就要作重大的修改。个电磁理论就要作重大的修改。第30页/共72页 寻找磁单极子的实验研究具有重要的的寻找磁单极子的实验研究具有重要的的理论意义。但至今还没发现磁单极子。

11、理论意义。但至今还没发现磁单极子。二、安培环路定理思考：在恒定电流的磁场中，磁感应强度思考：在恒定电流的磁场中，磁感应强度矢量沿任一闭合路径矢量沿任一闭合路径 L的线积分（即环路的线积分（即环路积分）等于什么积分）等于什么?1、长直电流的磁场第31页/共72页垂直于导线的平面内，在任意环路上取一点P，到导线的距离为r。根据毕-奥定律，P点的磁感应强度大小为：由几何关系得：求B的环路积分：沿切向第32页/共72页变量代换可得如果沿同一路径但改变绕行方向积分呢？第33页/共72页改变积分方向若认为电流为-I，则结果可写成第34页/共72页安培环路定理安培环路定理(Amperes circulati

12、on theorem)在磁场中，沿任何闭合曲线的在磁场中，沿任何闭合曲线的B矢量的线积矢量的线积分（分（B的环流），等于与该闭合曲线所的环流），等于与该闭合曲线所“铰链铰链”的恒定电流代数和的的恒定电流代数和的 0倍。倍。注意：电流的正负与积分时的绕行方向有关，规定Iin 取正值的方向与L的绕行方向满足右手螺旋法则。“有旋场”第35页/共72页【例例】解释安培环路定理的符号规则。解释安培环路定理的符号规则。I1LI2ILIIL第36页/共72页1、与L“铰链”的电流，可理解为穿过以L为边界的任意形状曲面的电流。曲面曲面S 的的“正面正面”与与 L 成右手螺旋关系。成右手螺旋关系。关于安培环路定

13、理的讨论：LI1I2S第37页/共72页382、对于恒定电流中的“一段”，安培环路定理不适用。？物理上恒定电流一定闭合！LI1I2S1S2第38页/共72页【例题8-7】求载流密绕长直螺线管内的磁场。n:单位长度的线圈匝数；单位长度的线圈匝数；I:导线中的电流导线中的电流三、三、利用安培环路定理求磁场的分布利用安培环路定理求磁场的分布1、由对称性、由对称性可推知：可推知：Bin 平行于轴线平行于轴线MN2、由安培环路定理得 Bin均匀分布第39页/共72页Bin 平行于轴线；a-b-c-d中铰链的电流代数和为0。即 Bin均匀分布如图，过P点作一矩形的闭合回路a-b-c-dP由安培环路定理，B

14、沿a-b-c-d的环流为第40页/共72页3、外部磁场的分布、外部磁场的分布如图，过点P作任意矩形的闭合回路a-b-c-dP由安培环路定理,线圈很长很密时，管外的磁场很弱，可以忽略不计第41页/共72页由安培环路定理,均匀分布4、内部磁场的大小、内部磁场的大小如图，过点P作一矩形的闭合回路a-b-c-dP密绕无漏磁第42页/共72页非密绕有漏磁第43页/共72页【例题8-8】环形密绕螺线管II.rr.+.N:线圈匝数；线圈匝数；I:电流电流解解：密密绕绕无无漏漏磁磁时时，由由对对称称性性，共共轴轴圆圆周周上上B的的数数值值相相等等，方方向沿切向。向沿切向。第44页/共72页【练习】求无限大平面

15、电流的磁场分布：面电流密度矢量jlB解：解：由对称性可知由对称性可知B沿沿z方向方向如图作积分回路。由安培环流定理，如图作积分回路。由安培环流定理，无无限限大大均均匀匀平平面面电电流流两两侧侧的的磁磁场场是是均匀磁场，大小相等而方向相反。均匀磁场，大小相等而方向相反。第45页/共72页8-5 带电粒子在磁场中的运动一、磁场对运动电荷有作用力“洛仑兹力”+力的方向：根据右手螺旋法则力的大小：B第46页/共72页1、回旋加速器（cyclotron）电子回旋周期T与速度无关，所以带电粒子每次经过缝隙（电场区域）均被加速（交变电压频率不变）。-第47页/共72页2、磁聚焦（Magnetic focus

16、ing）螺距：螺距：（匀速运动）（匀速运动）（圆周运动）（圆周运动）螺旋线带电粒子每回旋一周所前进的距离d与v无关。带电粒子第48页/共72页49螺距：螺距：均匀磁场中螺距相同的电子被聚焦：均匀磁场中螺距相同的电子被聚焦：实际中用得更多的是短线圈产生的非均匀磁场的磁聚焦作用，这种线圈通常称为磁透镜，它在电子显微镜中起了与光学仪器中的透镜类似的作用。第49页/共72页50非均匀磁场中电子的运动：非均匀磁场中电子的运动：磁透镜：带电粒子在较强的磁场中半径减小，受力方向指向弱场。磁约束装置：两端磁场很强，中间磁场较弱，带电粒子在两端被反射磁镜第50页/共72页51托卡马克（Tokamak）：环形磁场

17、，高温等离子容器，用于受控热核反应装置。为什么出现极光？地球磁场对太空带电粒子（宇宙射线）的约束作用第51页/共72页3、带电粒子在电磁场中的运动、带电粒子在电磁场中的运动速度选择器：使电场力与磁场力合力为零质谱仪：利用电场和磁场的组合测定粒子荷质比第52页/共72页4、霍尔效应、霍尔效应（Hall Effect）通电的导体薄片在垂直薄片表面的磁场中上下侧面出现电势差。+-+-+V1V2+：n型-：p型霍尔系数第53页/共72页8-6 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用一、安培定律一、安培定律载流导线元在磁场中受到的磁场力载流导线元在磁场中受到的磁场力安培力安培力方向：方向：右手定则右手

18、定则一段载流导线（一段载流导线（任意形状任意形状）受到的安培力）受到的安培力B大小：大小：第54页/共72页55证明证明:在载流导线上任取一电流元在载流导线上任取一电流元 ，其中电荷，其中电荷dq沿沿导线运动的速度为导线运动的速度为 ，电流元长度，电流元长度 dl=vdt，通，通过截面的电荷数过截面的电荷数 dq=Idt在电流元所在的微小空间区域，磁场可看作匀强的。在电流元所在的微小空间区域，磁场可看作匀强的。按照洛仑兹力公式，可得电流元所受磁场力按照洛仑兹力公式，可得电流元所受磁场力第55页/共72页56如果载流导线所处为非均匀磁场，电流元受的力可如果载流导线所处为非均匀磁场，电流元受的力可

19、分解为三个方向的分力：分解为三个方向的分力：【例例】在在磁磁感感强强度度为为B的的均均匀匀磁磁场场中中，通通过过一一半半径径为为R的的半半圆圆导导线线中中的的电电流流为为I。若若导导线线所所在在平平面面与与B垂垂直直，求求该该导导线线所所受受的安培力。的安培力。I I第56页/共72页57解解：由由于于电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向垂垂直直，各各段段电电流流元元受受到到的的安安培培力力的的大大小小都都等等于于方方向向沿沿各各自自半半径径离离开开圆圆心心向向外外。将将力力分分解解为为x方方向向和和y方方向向的的分分力力。由由电电流流的的对对称称性性，电电流流在在x方方向的总和为向的总和为0

20、，合力等于，合力等于y方向的分力之和方向的分力之和 I Ix xy y与其两个端点相连的直导线所受到的力相等。与其两个端点相连的直导线所受到的力相等。第57页/共72页58由由结结果果可可推推论论：一一个个任任意意弯弯曲曲载载流流导导线线上上所所受受的的磁磁场场力力等等效效于于弯弯曲曲导导线线始始、终终两两点点间间直直导导线线通通以以等等大大电流时在同样磁场中所受磁场力。电流时在同样磁场中所受磁场力。下下部部电电磁磁铁铁使使列列车车浮浮起起，侧侧面面线线圈圈通通交交变变电电流流，前前方方线线圈圈对对列列车车磁磁体体产产生生吸吸引引力力，后后方方线线圈圈对对列车产生排斥力。列车产生排斥力。磁悬浮

21、列车时速超过400 km第58页/共72页59二、磁场对载流线圈的作用二、磁场对载流线圈的作用条件：均匀磁场，线圈平面与磁场方向夹角为第59页/共72页AD与BC受力大小相等，方向相反且共线；AB与CD受力大小相等，方向相反，不共线；合力为0，合力矩为0合力为0，合力矩不为0第60页/共72页61AB与CD边受力大小为：力臂为两力的合力矩为 S为线圈面积，设为线圈平面正发向与磁场方向的夹角，则=90o-。合力矩写为对于N匝线圈，合力矩为 第61页/共72页62 可以证明，上式不仅对矩形线圈成立，对于均匀磁场中的任意形状的平面线圈也成立。对于带电粒子在平面内沿闭合回路运动以及带电粒子自旋所具有的

22、磁矩，在磁场中受到的力矩都适用。分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。I第62页/共72页粒子的磁矩：粒子的磁矩：轨道磁矩轨道磁矩+自旋磁矩自旋磁矩1、磁矩：I2、磁矩在磁场中所受力矩I3、磁矩在磁场中的势能当当 pm 和和 B 垂直时取为零。垂直时取为零。三、磁场中的磁矩第63页/共72页4、非均匀磁场中的磁矩所受、非均匀磁场中的磁矩所受合力不为零合力不为零 基态银原子的电子球对称分布基态银原子的电子球对称分布:轨道磁矩轨道磁矩0射线偏转，证实电子具有射线偏转，证实电子具有自旋磁矩！自旋磁矩！不均匀磁场不均

23、匀磁场s1s2SPN基态银原子斯特恩盖拉赫实验（斯特恩盖拉赫实验（1921）射线偏转平动第64页/共72页65【例例】平行直线电流单位长度线段间的作用力平行直线电流单位长度线段间的作用力I1I2dB1B2F1F2国际单位制国际单位制“安培安培”的定义：的定义：若若,则电流强度为则电流强度为第65页/共72页66一、一、磁介质磁介质磁磁 化：化：磁介质在磁场作用下内部状态的变化称为磁磁介质在磁场作用下内部状态的变化称为磁化。化。磁介质：磁介质：在磁场作用下，其内部状态发生变化，并在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场分布的物质。反过来影响磁场分布的物质。总磁感强度附加磁感强度外加磁感

24、强度 磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系：8-7 磁场中的磁介质磁场中的磁介质第66页/共72页67抗磁质抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等铜、铋、硫、氢、银等)铁磁质铁磁质(铁、钴、镍等铁、钴、镍等)磁介质的分类抗磁质和大多数的顺磁质的一个共同特点：它们抗磁质和大多数的顺磁质的一个共同特点：它们所激发的附加磁场极其微弱所激发的附加磁场极其微弱顺磁质顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等锰、铬、铂、氧、氮等)二、二、分子电流和分子磁矩分子电流和分子磁矩 分子电流：把分子或原子看作一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。第67页/共72页68

25、分子磁矩：把分子所具有的磁矩统称为分子磁矩，用符号 表示。电子的进动：在外磁场 的作用下，分子或原子中和每个电子相联系的磁矩都受到磁力矩的作用，由于分子或原子中的电子以一定的角动量作高速转动，这时，每个电子除了保持环绕原子核的运动和电子本身的自旋以外，还要附加电子磁矩以外磁场方向为轴线的转动，称为电子的进动。陀螺的进动陀螺的进动第68页/共72页69进动进动进动 可以证明：不论电子原来的磁矩与磁场方向之间的夹角是何值，在外磁场 中，电子角动量 进动的转向总是和磁力矩 的方向构成右手螺旋关系。这种等效圆电流的磁矩的方向永远与 的方向相反。第69页/共72页70*三、三、抗磁质的磁化抗磁质的磁化

26、附加磁矩：因进动而产生的等效磁矩称为附加磁矩，用符号 表示。在外磁场作用下，抗磁材料中电子轨道磁矩受其作用整体产生一附加磁矩 ，在外磁场的作用下，磁体内任意体积元中大量分子或原子的附加磁矩的矢量和 有一定的量值，结果在磁体内激发一个和外磁场方向相反的附加磁场，这就是抗磁性的起源。它是一切磁介质所共有的性质。抗磁性起源于外磁场对电子轨道运动作用的结果，在任何原子或分子的结构中都会产生。它是一切磁介质共有的性质。第70页/共72页71*四、四、顺磁质的磁化顺磁质的磁化 对顺磁质而言，由于热运动，各分子磁矩杂乱无章，总体磁矩矢量和为零。在外磁场作用下，这些分子磁矩将趋与外磁场方向一致的状态。热运动破坏这种有序性的形成。在较强磁场和较低温度下，分子磁矩排列越整齐，这时，在顺磁体内任意取一体积元 ，其中各分子磁矩的矢量和 将有一定的量值，因而在宏观上呈现出一个与外磁场同向的附加磁场，这就是顺磁性的起源。它是一切磁介质所共有的性质。第71页/共72页72感谢您的观看！第72页/共72页