大学物理电子教案-西安电子科技大学.ppt

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1、电磁学电磁学多媒体教学课件多媒体教学课件西安电子科技大学理学院西安电子科技大学理学院第四章第四章 稳恒磁场稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律2 载流回路的磁场载流回路的磁场3 磁场的磁场的“高斯定律高斯定律”与安培环路定理与安培环路定理4 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用5 带电粒子在磁场中的应用带电粒子在磁场中的应用2第四章 稳恒磁场一、磁现象一、磁现象1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律1、磁铁的磁现象、磁铁的磁现象 磁极：磁极：N，S 相互作用：同性相斥，异性相吸相互作用：同性相斥，异性相吸NSNNSS1920年年7月月2、电流的磁场、电流的磁场3第四章 稳恒磁

2、场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律奥斯特实验表明奥斯特实验表明1、长直流导线与之平行放置的指针受到力偏转、长直流导线与之平行放置的指针受到力偏转 电流的磁效应电流的磁效应2、磁针是在水平面内偏转的、磁针是在水平面内偏转的 横向力横向力3、突破了非接触的物体之间只存在有心力的观、突破了非接触的物体之间只存在有心力的观念拓宽了作用力类型念拓宽了作用力类型4第四章 稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律相关实验相关实验n9.18 Ampere圆电流对磁针圆电流对磁针作用作用 n9.25 Ampere平行电流对磁平行电流对磁针作用针作用n9.25 Arago 钢片被电流磁钢片被电流磁

3、化化5第四章 稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律Ampere通电导线受通电导线受马蹄形磁铁马蹄形磁铁作用而运动作用而运动相关实验相关实验6第四章 稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律螺螺线线管管与与磁磁铁铁相相互互作作用用时时显显示示出出N极极和和S极极相关实验相关实验7第四章 稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律一系列实验表明一系列实验表明磁铁磁铁磁铁磁铁电流电流电流电流都存在相互作用都存在相互作用8第四章 稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律3、安培分子电流假说：安培人为磁铁的磁性与电流的安培分子电流假说：安培人为磁铁的磁性与电流的磁性的起

4、源是相同的。磁铁的磁性来自于铁磁物质的磁性的起源是相同的。磁铁的磁性来自于铁磁物质的分子电流。总而言之，所有的磁性都来自于的电流。分子电流。总而言之，所有的磁性都来自于的电流。4、运动电荷产生磁现象！、运动电荷产生磁现象！二、磁场二、磁场1、磁场的概念：磁场就是运动电荷激发或产生的一、磁场的概念：磁场就是运动电荷激发或产生的一种物质。种物质。2、基本任务、基本任务：用用什么物理量描写磁场；什么物理量描写磁场；运动电荷产生磁场的规律；运动电荷产生磁场的规律；磁场对运动电荷作用的力。磁场对运动电荷作用的力。9第四章 稳恒磁场1 磁的基本现象和规律磁的基本现象和规律单位单位 特斯拉特斯拉+磁感强度磁

5、感强度 的定义：的定义：当当正正电荷垂直于特定直线运动电荷垂直于特定直线运动时，受力时，受力 将将 方方向定义为该点的向定义为该点的 的方向的方向.磁感强度大小磁感强度大小运动电荷在磁场中受力运动电荷在磁场中受力10第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律P*一一 电流元在空间产生的磁场电流元在空间产生的磁场真空磁导率真空磁导率 任意载流导线在点任意载流导线在点 P 处的磁感强度处的磁感强度磁感强度叠加原理磁感强度叠加原理11第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律12345678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

6、：2、4、6、8 点点：毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律12第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律PCD*解解 方向均沿方向均沿 x 轴的负方向轴的负方向二、载流直导线的磁场二、载流直导线的磁场13第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律 的方向沿的方向沿 x 轴的负方向轴的负方向.无限长无限长载流长直导线的磁场载流长直导线的磁场.PCD+14第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律IB 电流与磁感强度成电流与磁感强度成右螺旋关系右螺旋关系半无限长半无限长载流长直导线的磁场载流长直导线的磁场 无限长载流长直导线的磁场无限长载流长直导线的磁场*PIBX X15第四章 稳恒磁

7、场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律I 真空中真空中,半径为半径为R 的载流导线的载流导线,电流电流I,求求其其轴线上一点轴线上一点 p 的磁感强度的方向和大小的磁感强度的方向和大小.解解 根据对称性分析根据对称性分析三、三、圆形载流导线的磁场圆形载流导线的磁场.p*16第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律p*17第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律 3）4）1）若线圈有）若线圈有 匝匝讨讨论论*2）的方向不变的方向不变(和和 成成右螺旋右螺旋关系）关系）18第四章 稳恒磁场2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律oI（5）*Ad（4）*o（2R）I+R（3）oIIRo（1）x1

8、9第四章 稳恒磁场一一 磁场高斯定理磁场高斯定理规定：曲线上每一点的切线方向就是该点的磁感强度规定：曲线上每一点的切线方向就是该点的磁感强度 B B 的方的方向，曲线的疏密程度表示该点的磁感强度向，曲线的疏密程度表示该点的磁感强度 B B 的大小的大小.III3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理1.1.磁通量磁通量20第四章 稳恒磁场SNISNI磁场中某点处垂直磁场中某点处垂直 矢量的单矢量的单位面积上通过的磁感线数目等位面积上通过的磁感线数目等于该点于该点 的数值的数值.3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理21第四章 稳恒磁场单位单位3 磁场高斯定理和

9、安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理22第四章 稳恒磁场 物理意义物理意义：通过任意闭合曲面的磁通量必等于零：通过任意闭合曲面的磁通量必等于零 （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3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理2.2.磁场的高斯定理磁场的高斯定理23第四章 稳恒磁场例例 如图载流长直导线的电流为如图载流长直导线的电流为 ,试求通过矩形面积的试求通过矩形面积的磁通量磁通量.解解 先求先求 ，对变磁场给出对变磁场给出 后积分求后积分求3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理24第四章 稳恒磁场3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定

10、理和安培环路定理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）载载流长直流长直导线的磁感强度为导线的磁感强度为二二 安培环路定理安培环路定理1.1.安培环路定理的证明安培环路定理的证明 若电流反向，环路方向不变，若电流反向，环路方向不变，25第四章 稳恒磁场对任意形状的回路对任意形状的回路 与与 成成右右螺旋螺旋3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理电流在回路之外电流在回路之外26第四章 稳恒磁场 多电流情况多电流情况 以上结果对任意形状的闭以上结果对任意形状的闭合电流（伸向无限远的电流合电流（伸向无限远的电流）均成立）均成立.安培环路定理安培环路定理

11、3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理27第四章 稳恒磁场2.2.安培环路定理的表述安培环路定理的表述 即在真空的稳恒磁场中，磁感应强度即在真空的稳恒磁场中，磁感应强度 沿任一闭合路径沿任一闭合路径的积分的值，等于的积分的值，等于 乘以该闭合路径所包围的各电流的代乘以该闭合路径所包围的各电流的代数和数和.电流电流 正负正负的规定：与的规定：与 成成右右螺旋时，为螺旋时，为正正；反反之为之为负负.注意：注意：3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理28第四章 稳恒磁场例例 求长直密绕螺线管内磁场求长直密绕螺线管内磁场3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安

12、培环路定理.BrBzB r.znII反射反射面面解：解：n n大大(密绕密绕)，螺距小，螺距小，螺线管可简化螺线管可简化为由一匝匝平面圆电为由一匝匝平面圆电流圈并排排列所组成。流圈并排排列所组成。由无限长条由无限长条件和轴对称，有：件和轴对称，有：用对称性原理分析：用对称性原理分析：该电流系该电流系统对图示反射面镜像对称统对图示反射面镜像对称,是是轴矢量。轴矢量。经镜像反射不变，经镜像反射不变，经空间反演变号。经空间反演变号。故应有故应有 29第四章 稳恒磁场选回路选回路 .+MNPO磁场磁场 的方向与电流的方向与电流 成成右螺旋右螺旋.无限长载流螺线管内部磁场处处相等无限长载流螺线管内部磁场

13、处处相等 ,外部磁场为零外部磁场为零.3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理30第四章 稳恒磁场当当 时，螺绕环内可视时，螺绕环内可视为均匀场为均匀场 .例例 求载流螺绕环内的磁场求载流螺绕环内的磁场2 2）选回路选回路 .解解 1 1）对称性分析；环内对称性分析；环内 线为同心圆，环外线为同心圆，环外 为零为零.令令3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理31第四章 稳恒磁场例例 无限长载流圆柱体的磁场无限长载流圆柱体的磁场解解 1 1）对称性分析对称性分析2 2）选取回路选取回路.3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理32第四章 稳恒磁场

14、 的方向与的方向与 成右螺旋成右螺旋3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理33第四章 稳恒磁场例例 无限长载流圆柱面的磁场无限长载流圆柱面的磁场解解3 磁场高斯定理和安培环路定理磁场高斯定理和安培环路定理34第四章 稳恒磁场4 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用安培力安培力磁场对载流导体的作用力。磁场对载流导体的作用力。安培力的规律是安培由实验确立的。安培力的规律是安培由实验确立的。其数学表达式为其数学表达式为 在历史上，首先由实验得出安培定律。在历史上，首先由实验得出安培定律。然后导出洛仑兹力公式。实质上，安培力然后导出洛仑兹力公式。实质上，安培力是洛仑兹力的宏观表现

15、，洛仑兹力是安培力的微观本质。是洛仑兹力的宏观表现，洛仑兹力是安培力的微观本质。一、安培力一、安培力 根据力的叠加原理，磁场对一段载流导线的安培力为根据力的叠加原理，磁场对一段载流导线的安培力为:35第四章 稳恒磁场4 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用例例 如图所示，试求导线所受的安培力。如图所示，试求导线所受的安培力。解：解：F1=F2=BIl,方向向下，方向向下，对半圆形导线，由对称对半圆形导线，由对称性分析可知，只有垂直性分析可知，只有垂直向下的分量互相加强，向下的分量互相加强，而水平分量互相抵消，而水平分量互相抵消，作用在全段导线上的总安培力为作用在全段导线上的总安培力为 方向

16、向方向向下。这个结论可以推广到均匀磁场中任意形状的稳恒载流导下。这个结论可以推广到均匀磁场中任意形状的稳恒载流导线。线。36第四章 稳恒磁场4 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用二、平行无限长直导线间相互作用二、平行无限长直导线间相互作用37第四章 稳恒磁场4 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用 国际单位制中国际单位制中电流单位安培的定义电流单位安培的定义 在真空中两平行长直导线相距在真空中两平行长直导线相距 1 m ，通有大小相等、方向相同通有大小相等、方向相同的电流，当两导线每单位长度上的电流，当两导线每单位长度上的吸引力为的吸引力为 时，规定时，规定这时的电流为这时的电流为

17、1 A （安培）安培）.问问 若两直导线电流方向相反二者之若两直导线电流方向相反二者之间的作用力如何？间的作用力如何？可得可得38第四章 稳恒磁场4 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用三、矩形载流线圈在均匀磁场中所受力矩三、矩形载流线圈在均匀磁场中所受力矩abcdIIa(d)d(c)作用在线圈力矩为作用在线圈力矩为:考虑三个物理的大小和方向的关系可写成：考虑三个物理的大小和方向的关系可写成：考虑三个物理的大小和方向的关系可写成：考虑三个物理的大小和方向的关系可写成：39第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动一一 洛仑兹力洛仑兹力电场力电场力磁场力磁场力（洛仑兹力洛仑

18、兹力）+运动电荷在电运动电荷在电场和磁场中受的力场和磁场中受的力 方向：即以右手四指方向：即以右手四指 由经小于由经小于 的角弯向的角弯向 ，拇指的指向就是正电荷所受，拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向洛仑兹力的方向.40第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动 例例 1 一质子沿着与磁场垂直的方向运动一质子沿着与磁场垂直的方向运动,在在某点它的速率为某点它的速率为 .由实验测得这时由实验测得这时质子所受的质子所受的洛仑兹力为洛仑兹力为 .求该点的磁求该点的磁感强度的感强度的 大小大小.解解 由于由于 与垂直与垂直 ，可得，可得问问 1 1）洛仑兹力作不作功洛仑兹力作不

19、作功？2 2）负电荷所受的）负电荷所受的洛仑兹力方向？洛仑兹力方向？41第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动二二 带电粒子在均匀磁场中运动带电粒子在均匀磁场中运动1.2.3.qvvR42第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动三三 荷质比的测定荷质比的测定.+-A AK+dL.速度选择器速度选择器43第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动dL+-o44第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动dL+-o上述计算上述计算的条件的条件电子比电子比荷荷45第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动四

20、四 回旋加速器回旋加速器 19321932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D D型室型室.此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV1MeV的能量，为此的能量，为此19391939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.46第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动频率与半径无关频率与半径无关到到半圆盒边缘时半圆盒边缘时回旋加速器原理图回旋加速器原理图NSBON47第四章 稳恒磁场I霍耳电压霍耳电压+-5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动五五 霍尔效应霍尔效应霍耳霍耳系数系数48第四章 稳恒磁场5 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动I+-P P 型半导体型半导体+-霍耳效应的应用霍耳效应的应用2 2）测量磁场测量磁场霍耳电压霍耳电压1 1）判断半导体的类型判断半导体的类型+-N N 型半导体型半导体-I+-49第四章 稳恒磁场电磁学电磁学多媒体教学课件多媒体教学课件西安电子科技大学理学院西安电子科技大学理学院