磁感应强度、毕萨定律精选文档.ppt

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1、磁感应强度、毕萨定律1本讲稿第一页，共三十九页第十章第十章 运动电荷间的相互作用运动电荷间的相互作用 稳恒磁场稳恒磁场结构框图结构框图运运动动电电荷荷间间的的相相互互作作用用磁磁场场 稳稳恒恒磁磁场场磁感应磁感应强度强度毕毕-萨萨定律定律磁场的高斯定理磁场的高斯定理安培环路定理安培环路定理 磁场的磁场的基本性质基本性质洛仑兹力洛仑兹力安培定律安培定律带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动霍耳效应霍耳效应磁力和磁力矩磁力和磁力矩磁力的功磁力的功顺磁质、抗磁质和顺磁质、抗磁质和铁磁质的磁化铁磁质的磁化磁场磁场强度强度介质中的安介质中的安培环路定理培环路定理学时：学时：10102本讲稿第二页，

2、共三十九页难点难点运动电荷之间的相互作用，磁场是电场的相对论效应，运动电荷之间的相互作用，磁场是电场的相对论效应，磁介质，磁介质，重点重点基本概念：基本概念：磁感应强度，磁通量，电流磁矩，磁感应强度，磁通量，电流磁矩，基本规律：基本规律：磁场叠加原理，磁场叠加原理，毕萨定律及其应用，毕萨定律及其应用，稳恒磁场高斯定理和环路定理，稳恒磁场高斯定理和环路定理，磁场的基本性质（无源场、涡旋场）磁场的基本性质（无源场、涡旋场）基本计算：基本计算：稳恒磁场稳恒磁场 分布，分布，洛仑兹力，安培力，磁力矩，洛仑兹力，安培力，磁力矩，3本讲稿第三页，共三十九页 10.1 10.1 运动电荷间相互作用运动电荷间

3、相互作用要求：要求：了解处理问题的思路，理解结论的物理意义了解处理问题的思路，理解结论的物理意义磁场是从哪里来的？磁场是从哪里来的？具体含义具体含义出发点：出发点：讨论运动电荷间相互作用讨论运动电荷间相互作用4本讲稿第四页，共三十九页无论检验电荷相对于观察者（场源电荷）运动或静止无论检验电荷相对于观察者（场源电荷）运动或静止场中检验电荷受力场中检验电荷受力求解求解 分布分布本节讨论的本节讨论的“运动运动”电荷相互作用电荷相互作用不是指场源电荷与检验电荷间相对运动不是指场源电荷与检验电荷间相对运动.而是指而是指对观察者而言对观察者而言，场源电荷、检验电荷是运动的，场源电荷、检验电荷是运动的.上一

4、章讨论的电相互作用：上一章讨论的电相互作用：场源电荷相对于观察者静止（静电场）场源电荷相对于观察者静止（静电场）5本讲稿第五页，共三十九页问题：问题：场源电荷相对场源电荷相对于观察者运动于观察者运动（非静电场）（非静电场）场中检验电荷场中检验电荷受力如何？受力如何？其电场如其电场如何分布？何分布？一一.运动电荷周围的电场运动电荷周围的电场前提前提（2 2）高斯定理对运动电荷电场仍成立高斯定理对运动电荷电场仍成立.（高斯定理比库仑定律普遍）（高斯定理比库仑定律普遍）（3 3）洛仑兹变换适用洛仑兹变换适用.（1 1）在不同参考系中，电荷的电量在不同参考系中，电荷的电量 不变不变.（为相对论不变量）

5、为相对论不变量）6本讲稿第六页，共三十九页：固接于观察者：固接于观察者：固接于电容器：固接于电容器+-（a）讨论）讨论 电场电场以一个特例来研究运动电荷的电场，所选研究对象：以一个特例来研究运动电荷的电场，所选研究对象：极板为正方形的平行板电容器电场极板为正方形的平行板电容器电场+-（b b）讨论）讨论 电场电场+-7本讲稿第七页，共三十九页边长（原长）：边长（原长）：带电量：带电量：电场分布：电场分布：电荷密度：电荷密度：板外板外板间板间中中:电容器静止（电容器静止（情况相同）情况相同）8本讲稿第八页，共三十九页中中:电容器以速率电容器以速率 沿沿 轴运动轴运动.带电量带电量:电荷密度电荷密

6、度:边长边长:9本讲稿第九页，共三十九页S S 系中非静电场分布系中非静电场分布:仍有面对称性仍有面对称性.系中静系中静电场分布电场分布:面对称性面对称性10本讲稿第十页，共三十九页电场分布电场分布:仍有面对称性仍有面对称性.板外板外板间板间即在即在 方向上方向上高斯定理仍成立高斯定理仍成立.11本讲稿第十一页，共三十九页带电量带电量:边长边长:板间距离缩短板间距离缩短电荷密度：电荷密度：电场分布：电场分布：即在即在 方向上方向上（b b）12本讲稿第十二页，共三十九页推广：推广：运动电荷电场分布的一般规律：运动电荷电场分布的一般规律：在电荷相对其静止的参考系中：在电荷相对其静止的参考系中：（

7、静电场）（静电场）在电荷相对其运动的参考系中：在电荷相对其运动的参考系中：（运动电荷电场）（运动电荷电场）平行于相对速度平行于相对速度 方向的场强分量不变方向的场强分量不变.垂直于相对速度垂直于相对速度 方向的场强分量扩大方向的场强分量扩大 倍倍.13本讲稿第十三页，共三十九页当场源电荷相对于观察者沿当场源电荷相对于观察者沿 方向以方向以 匀速运动时：匀速运动时：电场强度在不同惯性系中的变换公式：电场强度在不同惯性系中的变换公式：14本讲稿第十四页，共三十九页 P 268 例一例一 在在S系中以系中以 沿沿x轴匀速运动轴匀速运动点电荷点电荷q的电场的电场.（电场对（电场对x轴旋转对称分布，可只

8、讨论轴旋转对称分布，可只讨论xy平面内的情况。）平面内的情况。）建立固接于建立固接于 的的 系：系：15本讲稿第十五页，共三十九页 至场点位矢至场点位矢 与与 夹角夹角.式中：式中：讨论讨论与与 系中（静电场）比较系中（静电场）比较16本讲稿第十六页，共三十九页比较：比较：在在 系中（静电场，系中（静电场，球对称分布）球对称分布）在在 系中（运动电荷的电场，系中（运动电荷的电场，无球对称性）无球对称性）对对 方向旋转对称分布方向旋转对称分布17本讲稿第十七页，共三十九页静止电荷的电场静止电荷的电场二者比较二者比较运动电荷的电场运动电荷的电场18本讲稿第十八页，共三十九页二二.运动电荷间的相互作

9、用运动电荷间的相互作用思路：思路：因为只知在场源电荷相对观察者静止时有因为只知在场源电荷相对观察者静止时有 成立，所以先在固结于场源电荷的成立，所以先在固结于场源电荷的 系中求系中求 ，至至 系中系中再用相对论变换再用相对论变换问题：问题：系（观察者）中系（观察者）中 场源电荷以场源电荷以 运动运动 检验电荷以检验电荷以 运动运动求场源电荷与检验电荷的相互作用求场源电荷与检验电荷的相互作用19本讲稿第十九页，共三十九页设设 系中：系中：由由266266页页 10.1-4 10.1-4 式有：式有：由由 ：得：得：20本讲稿第二十页，共三十九页相对论力的变换式相对论力的变换式（教材（教材1881

10、88页页8.4-138.4-13式式 ）将将 变换回变换回 系：系：将将 变换回变换回 系时要用到速度变换系时要用到速度变换21本讲稿第二十一页，共三十九页由由164164页页 8.2-14 8.2-14 式式检验电荷检验电荷 以以 运动：运动：设设 系中系中22本讲稿第二十二页，共三十九页系系代入代入188188页页 8.4-138.4-13式得：式得：23本讲稿第二十三页，共三十九页得在得在 系中看来，以系中看来，以 运动的场源电荷和以运动的场源电荷和以 运运动的检验电荷间相互作用：动的检验电荷间相互作用：只与场源电荷有关只与场源电荷有关令令为磁感应强度为磁感应强度电场力电场力磁场力磁场力

11、得：得：（教材（教材270270页页*）24本讲稿第二十四页，共三十九页运动电荷间的相互作用：运动电荷间的相互作用：磁感应强度：磁感应强度：检验电荷相对于观察者的速度检验电荷相对于观察者的速度场源电荷相对于观察者的速度场源电荷相对于观察者的速度磁场力：磁场力：与场源电荷、检验电荷相对于与场源电荷、检验电荷相对于观察者的速度均有关。观察者的速度均有关。电场力：电场力：与场源电荷相对于观察者的速度有关；与场源电荷相对于观察者的速度有关；与检验电荷相对于观察者的速度无关。与检验电荷相对于观察者的速度无关。25本讲稿第二十五页，共三十九页所以，磁场是电场的相对论效应。所以，磁场是电场的相对论效应。磁场

12、力只是运动电荷相互作用力的一部分磁场力只是运动电荷相互作用力的一部分(是其中与检验电荷相对于观察者速度相关的那一部分是其中与检验电荷相对于观察者速度相关的那一部分)，不是空间又出现了一个新的场，不是空间又出现了一个新的场，而是为了处理问题方而是为了处理问题方便，人为地定义了一个新的场便，人为地定义了一个新的场 磁场磁场.我曾确信，在磁场中作用在一个运动物体上的电动力不过是一种电场力罢了，正是这种确信或多或少地促使我去研究狭义相对论。爱因斯坦爱因斯坦电磁场是统一的整体，在不同条件下表现形式不同，电磁场是统一的整体，在不同条件下表现形式不同，其物理图象是：其物理图象是：26本讲稿第二十六页，共三十

13、九页检验检验电荷电荷静止静止 只受电场力只受电场力运动运动（相对观察者（相对观察者 ）电场力电场力磁场力磁场力场源场源静止电荷静止电荷 激发静电场激发静电场运动电荷运动电荷（相对于观察者（相对于观察者 ）激发电场激发电场激发磁场激发磁场27本讲稿第二十七页，共三十九页要求：要求：对磁场的来源，电磁场的统一性，在不同条件对磁场的来源，电磁场的统一性，在不同条件 下的表现形式形成清晰的物理图象；下的表现形式形成清晰的物理图象；从物理学认识客观世界规律，探求事物的本质从物理学认识客观世界规律，探求事物的本质 及其相互关系的方法中得到启发。及其相互关系的方法中得到启发。电现象电现象磁现象磁现象电流的磁

14、效应电流的磁效应电磁感应电磁感应麦克斯韦麦克斯韦方程方程磁场是电场的磁场是电场的相对论效应相对论效应注意：注意：在电磁学中，无论速度多么小（在电磁学中，无论速度多么小（vc），伽利略），伽利略变换都不适用，电磁场的变换必须应用相对论变换。变换都不适用，电磁场的变换必须应用相对论变换。28本讲稿第二十八页，共三十九页 10.2 10.2 磁感应强度磁感应强度 毕毕 沙定律及其应用沙定律及其应用一一.磁感应强度磁感应强度1.1.定义：定义：磁场是电场的相对论效应磁场是电场的相对论效应将将解：解：代入代入相对于观察者以相对于观察者以 匀速直线运动的点电荷的磁场匀速直线运动的点电荷的磁场.例例 29本

15、讲稿第二十九页，共三十九页定义真空磁导率：定义真空磁导率：在在 条件下条件下得：得：大小：大小：方向：右手螺旋法则，垂直于方向：右手螺旋法则，垂直于 、决定的平面决定的平面30本讲稿第三十页，共三十九页运动电荷的电场运动电荷的电场二者比较二者比较磁感应线在磁感应线在y、z平面附近更密集，平面附近更密集，电荷携带着这样的磁场分布向前电荷携带着这样的磁场分布向前运动。运动。运动电荷的磁场运动电荷的磁场31本讲稿第三十一页，共三十九页2.2.磁场叠加原理磁场叠加原理如果空间不止一个运动电荷，则空间某点总磁感应强如果空间不止一个运动电荷，则空间某点总磁感应强度等于各场源电荷单独在该点激发的磁感应强度的

16、矢度等于各场源电荷单独在该点激发的磁感应强度的矢量和：量和：练习：练习：P 310 10.5P 310 10.5已知：已知：求：求：解：解：在在 上取上取32本讲稿第三十二页，共三十九页 以以 沿沿 运动运动 各各 在在 点处点处 同向：同向：方向垂直于纸面向里方向垂直于纸面向里.33本讲稿第三十三页，共三十九页二二 .毕毕 沙沙拉定律拉定律1820 1820 年年4 4月月:丹麦物理学家奥斯特（丹麦物理学家奥斯特（1777177718511851）发现电流的磁效应。发现电流的磁效应。“猛然打开了科学中一个黑暗领域的大门。”法拉第法拉第34本讲稿第三十四页，共三十九页1820 1820 年年8

17、 8月月:法国物理学家阿拉果在瑞士得到消息，并于法国物理学家阿拉果在瑞士得到消息，并于9 9月向法月向法国科学院介绍了奥斯特实验，引起极大反响。国科学院介绍了奥斯特实验，引起极大反响。18201820年年1010月：月：法国物理学家毕奥和沙伐尔发表法国物理学家毕奥和沙伐尔发表运动的电传递给金属的运动的电传递给金属的磁化力磁化力，提出直线电流对磁针作用的实验规律。，提出直线电流对磁针作用的实验规律。法国数学、物理学家拉普拉斯由实验规律推出载流线段法国数学、物理学家拉普拉斯由实验规律推出载流线段元（电流元）磁场公式。毕奥和沙伐尔用实验验证了该元（电流元）磁场公式。毕奥和沙伐尔用实验验证了该公式。公

18、式。典型过程：典型过程：实验现象理论实验检验实验现象理论实验检验35本讲稿第三十五页，共三十九页.毕毕 沙拉定律：沙拉定律：电流元电流元产生磁场的规律产生磁场的规律求解电流磁场分布基本思路：求解电流磁场分布基本思路：将电流视为将电流视为电流元的集合电流元的集合电流元磁场公式电流元磁场公式磁场叠加原理磁场叠加原理电流磁场分布电流磁场分布与点电荷电场公式作用地位等价与点电荷电场公式作用地位等价36本讲稿第三十六页，共三十九页推证：推证：出发点出发点运动点电荷磁场运动点电荷磁场磁场叠加原理磁场叠加原理每个载流子在场点每个载流子在场点 处磁场处磁场载流子电量载流子电量 ，密度，密度 ，漂移速度，漂移速度则：则：电流元中载流子数电流元中载流子数电流元电流元 ,截面积截面积设：设：电流元在场点电流元在场点 处磁场处磁场.37本讲稿第三十七页，共三十九页电流元在场点电流元在场点 处磁场处磁场大小：大小：方向：方向：右手法则右手法则 .38本讲稿第三十八页，共三十九页小结：小结：磁感应强度：磁感应强度：相对于观察者以相对于观察者以 匀速直线运动的点电荷的磁场：匀速直线运动的点电荷的磁场：电流元电流元 的磁场（毕的磁场（毕 沙定律）：沙定律）：磁场叠加原理：磁场叠加原理：39本讲稿第三十九页，共三十九页