磁场和磁感应强度.ppt

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1、 11-2 磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度 一一、磁磁现现象象(magnetic phenomenon)磁现象的发现比电现象早很多。东汉王充磁现象的发现比电现象早很多。东汉王充“司司南勺南勺”，北宋沈括航海用指南针，北宋沈括航海用指南针“四大发明四大发明”。同同号号磁磁极极互互相相排排斥斥，异异号号磁磁极极互互相相吸吸引引。磁磁极极周周围围存存在在磁磁场场，处处于于磁磁场场中中的的其其它它磁磁极极或或运运动动电电荷荷，都都要要受受到到磁磁场场的的作作用用力力，此此作作用用力力称称为为磁磁场场力力或或磁磁力力。磁场力是通过磁场这种特殊物质传递的。磁场力是通过磁场这种特殊物质传递的。磁铁磁性最强

2、区域称为磁铁磁性最强区域称为磁极磁极。磁铁指向北方的磁。磁铁指向北方的磁极为极为磁北极或磁北极或N极极；指向南方的为；指向南方的为磁南极或磁南极或S极。极。1磁的基本现象磁的基本现象 司南勺司南勺（1 1）具有磁性，能吸引铁、）具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。钴、镍等物质。（2 2）具有磁极，分磁北极）具有磁极，分磁北极N和磁南极和磁南极S。（3 3）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸。）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸。（4 4）磁极不能单独存在。）磁极不能单独存在。永磁体的性质：永磁体的性质：永磁体的性质：永磁体的性质：2在磁极区域，磁性较强磁偏角 地球是一个巨大地球是一个

3、巨大的永磁体。的永磁体。3 1820年年4月，丹麦物理学月，丹麦物理学家奥斯特家奥斯特(，17771851）发发现了小磁针在通电导线周围现了小磁针在通电导线周围受到磁力作用而发生偏转。受到磁力作用而发生偏转。磁铁对载流导线、载流导线之间或磁铁对载流导线、载流导线之间或载流线圈之间也有相互作用。载流线圈之间也有相互作用。实验发现：实验发现：4 磁现象与电荷的运动有着密切的关系。运动电磁现象与电荷的运动有着密切的关系。运动电荷既能产生磁效应，也能受磁力的作用。荷既能产生磁效应，也能受磁力的作用。结论：结论：结论：结论：1821182118211821年，安培提出了关于物质磁性的本质假说：年，安培提

4、出了关于物质磁性的本质假说：年，安培提出了关于物质磁性的本质假说：年，安培提出了关于物质磁性的本质假说：一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分子中一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分子中存在回路电流，称为分子电流。分子电流相当于基存在回路电流，称为分子电流。分子电流相当于基元磁铁，物质对外显示出磁性，取决于物质中分子元磁铁，物质对外显示出磁性，取决于物质中分子电流对外界的磁效应的总和。电流对外界的磁效应的总和。5 1820年奥斯特年奥斯特发现电流的磁效应后，人们才认识发现电流的磁效应后，人们才认识到磁与电的密切联系。到磁与电的密切联系。1820年年安培安培发现磁体对电流作用和电流之间相发现磁体对

5、电流作用和电流之间相互作用，提出互作用，提出一切磁现象都起源于电流，一切物质一切磁现象都起源于电流，一切物质的磁性都起源于构成物质的分子中存在的环形电流。的磁性都起源于构成物质的分子中存在的环形电流。这种环形电流称为这种环形电流称为分子电流分子电流。安培分子电流假说安培分子电流假说与近代关于原子和分子结构与近代关于原子和分子结构的认识相吻合。原子是由原子核和核外电子组成的认识相吻合。原子是由原子核和核外电子组成的，电子的绕核运动就形成了经典概念的电流。的，电子的绕核运动就形成了经典概念的电流。6 物物质质磁磁性性起起源源不不能能完完全全用用经经典典理理论论来来描描述述。量量子子理理论论表表明明

6、，核核外外电电子子对对磁磁性性有有一一定定的的贡贡献献，但但物物质质磁磁性性的的主主要要来来源源是是电电子子的的自自旋旋磁磁矩矩，铁铁磁磁物物质质的的强强烈烈磁磁性性则则与与相相邻邻原原子子间间电电子子自自旋旋磁磁矩矩的的交换作用有关。都不能用经典概念予以描述。交换作用有关。都不能用经典概念予以描述。磁现象与电现象有很多类似，在自然界有独磁现象与电现象有很多类似，在自然界有独立存在的电荷，却至今没找到独立存在的磁荷，立存在的电荷，却至今没找到独立存在的磁荷，即所谓即所谓“磁单极子磁单极子”。寻找寻找“磁单极子磁单极子”是当今科学界面临的重大是当今科学界面临的重大课题之一。课题之一。7磁场和磁感

7、应强度 恒定磁场：恒定磁场：磁场分布不会随时间发生变化，一般可磁场分布不会随时间发生变化，一般可由恒定电流激发而在电流周围空间产生。由恒定电流激发而在电流周围空间产生。反映磁场性质的物理量：反映磁场性质的物理量：磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度 的方向：的方向：小磁针在场点处时其小磁针在场点处时其N 极的指向。极的指向。8实验：实验：1.点电荷点电荷q0以同一速率以同一速率v沿不同方向运动。沿不同方向运动。实验结果：实验结果：（4）电荷）电荷q0垂直磁场方向运动时，垂直磁场方向运动时，（3）电荷）电荷q0沿磁场方向运动时，沿磁场方向运动时，（1）（2）92.在垂直于磁场方向改变运动电荷

8、的速率在垂直于磁场方向改变运动电荷的速率v，改变点，改变点电荷的电量电荷的电量q0。（1 1）在磁场中同一场点，）在磁场中同一场点，Fmax/q0v 为一恒量；为一恒量；（2 2）在磁场中不同场点，）在磁场中不同场点，Fmax/q0v 的量值不同。的量值不同。实验结果：实验结果：定义磁感应强度定义磁感应强度 的大小：的大小：国际单位制单位：特斯拉（国际单位制单位：特斯拉（T）10 带电粒子在磁场中沿带电粒子在磁场中沿其他方向运动时，其受力其他方向运动时，其受力 垂直垂直于于 与该特定方向与该特定方向所组成的平面所组成的平面.当带电粒子在磁场中当带电粒子在磁场中垂直于此特定方向运动时垂直于此特定

9、方向运动时受力最大受力最大.大小与大小与 无关无关11二、磁感应强度二、磁感应强度(magnetic induction)1.任一点任一点P的磁感应强度的方向的磁感应强度的方向 当试探电荷当试探电荷q0以速度以速度v沿沿某特定直线某特定直线通过磁场中通过磁场中的点的点P时，作用于它的时，作用于它的洛伦兹力总等于零洛伦兹力总等于零，与试，与试探电荷的电量和运动速率无关。这条特定直线是探电荷的电量和运动速率无关。这条特定直线是点点P的磁场自身的属性，称为的磁场自身的属性，称为零力线零力线。把这条直线规定为点把这条直线规定为点P的磁感应强度的方向的磁感应强度的方向。+q 用磁感应强度描述磁场，用磁感

10、应强度描述磁场，以矢量以矢量 表示。表示。运动电荷在磁场中所受的磁场力称为运动电荷在磁场中所受的磁场力称为洛伦兹力。洛伦兹力。122.点点P的磁感应强度的大小的磁感应强度的大小 3.点点P的磁感应强度的指向的磁感应强度的指向 B、v、F 满足右螺旋关系满足右螺旋关系：电荷速度与该电荷速度与该特定方向垂直特定方向垂直时受到的磁力最大。时受到的磁力最大。点点P磁感应强度的大小磁感应强度的大小正正试试探探电电荷荷所所受受洛洛伦伦兹兹力大小为力大小为F=q0vBsin 单位单位特斯拉特斯拉(T),N s C-1 m-1,V s m-2,N A-1 m-1。13人体磁场极弱，人体磁场极弱，如心电激发磁场

11、如心电激发磁场约约310310-10-10T T。测测人体内磁场分布人体内磁场分布可诊断疾病，图可诊断疾病，图示磁共振图像示磁共振图像。地球磁场约地球磁场约510510-5-5T T。大型电磁铁磁大型电磁铁磁场可大于场可大于2 2T T。超导磁体能激超导磁体能激发高达发高达25T25T磁磁场；原子核附场；原子核附近可达近可达10104 4T T；脉冲星表面高脉冲星表面高达达 10 108 8T T。一些磁场的大小：一些磁场的大小：1415三、磁感应线和磁通量三、磁感应线和磁通量 磁场中某点磁场方向是确定的，磁场中某点磁场方向是确定的，磁感线不会相交磁感线不会相交。载流导线周围磁。载流导线周围磁

12、感线都是围绕电流的感线都是围绕电流的闭合曲线闭合曲线，没有起点，也没有终点没有起点，也没有终点。磁磁感感应应线线(magnetic induction line)形形象象表表示示磁磁场场分分布布状状况况：曲曲线线上上每每点点切切线线方方向向与与该该点点磁磁感感应应强强度度B方方向向一一致致；在在与与磁磁场场垂垂直直的的单单位位面面积积上上穿穿过过曲曲线线的的条条数数，与与该该处处B的的大大小小成成正正比比，即即疏疏密密程程度度反映出反映出B的大小。的大小。一簇磁感应线围成的管状区域称为一簇磁感应线围成的管状区域称为磁感应管磁感应管。16 磁感应线（1）磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁磁感

13、应线上任一点的切线方向都与该点的磁感应强度的方向一致。感应强度的方向一致。（2）垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感应强度磁感应强度B 的大小。的大小。磁感应线（磁感应线（B线）：线）：17磁感线磁感线1.画法画法(1)磁感线上某点的切向和该点磁感强度磁感线上某点的切向和该点磁感强度B的方向一致的方向一致；(2)通过垂直于通过垂直于B的单位面积的磁感线的条的单位面积的磁感线的条数等于该点数等于该点B的大小。磁场强处磁感线密。的大小。磁场强处磁感线密。2.性质性质 (1)两条磁感线不能相交；两条磁感线不能相交；(2)磁感线是环绕电流的磁感线是环绕电流的

14、闭合曲线闭合曲线。18I磁感线磁感线I3.典型磁感线典型磁感线(1)载流长直导线载流长直导线磁场的磁场的磁感线磁感线右手：拇指右手：拇指 I方向；方向；四指四指-磁感线方向磁感线方向(2)载载流圆线圈磁流圆线圈磁场的场的磁感线磁感线右手：拇指右手：拇指 I方向；方向；四指四指-磁感线方向磁感线方向19II(3)载载流直螺旋线圈流直螺旋线圈磁场的磁场的磁感线磁感线右手握住螺旋线圈：右手握住螺旋线圈：四指四指 I方向；方向；拇指拇指-线圈内部的磁线圈内部的磁 感线方向感线方向(4)载载流螺绕环磁流螺绕环磁场的场的磁感线磁感线右手握住螺绕环：右手握住螺绕环：四指四指 I方向；方向；拇指拇指-环内的磁

15、感线方向。环内的磁感线方向。20磁感应线的性质磁感应线的性质与电流套链与电流套链闭合曲线闭合曲线(磁单极子不存在磁单极子不存在)互不相交互不相交方向与电流成右手螺旋关系方向与电流成右手螺旋关系I IBB图片：典型磁感线图片：典型磁感线22 长直电流长直电流周围的磁感应线，在垂直周围的磁感应线，在垂直于电流的平面内磁感应线是一系列于电流的平面内磁感应线是一系列同同心圆心圆，圆心在电流与平面的交点上。，圆心在电流与平面的交点上。磁感线和电流满足右手螺旋法则。磁感线和电流满足右手螺旋法则。为描述磁场的强弱，规定磁场中某点处垂直于为描述磁场的强弱，规定磁场中某点处垂直于B 矢矢量的单位面积上通过的磁感

16、线数目量的单位面积上通过的磁感线数目(磁感线密度磁感线密度)，等，等于该点于该点B 的数值。的数值。圆电流圆电流周围的磁感应线，在与圆面正交并过其周围的磁感应线，在与圆面正交并过其 直直径的平面内，磁感应线是两簇环绕电流的曲线。径的平面内，磁感应线是两簇环绕电流的曲线。23 任意曲面任意曲面 S 的的磁通量磁通量(magnetic flux)定义为，定义为，曲面上任意一点的磁感应强度曲面上任意一点的磁感应强度B与该处面元与该处面元dS的标积的标积B dS 在整个曲面在整个曲面S上的代数和，即上的代数和，即 在国际单位制中，磁通量在国际单位制中，磁通量的单位是的单位是T m2，也称为，也称为Wb

17、(韦伯韦伯)。24 对闭合曲面，规定正法线方向垂直于曲面向外。对闭合曲面，规定正法线方向垂直于曲面向外。当磁感线从曲面内穿出时，磁通量为正，而当磁感当磁感线从曲面内穿出时，磁通量为正，而当磁感线从曲面外穿入时，磁通量为负。线从曲面外穿入时，磁通量为负。Bn 在不均匀磁场中，通过在不均匀磁场中，通过任意面积元的磁通量：任意面积元的磁通量：在均匀磁场中通过面积在均匀磁场中通过面积S 的磁通量为：的磁通量为：25 S B dS 0磁场的高斯定理磁场的高斯定理(磁通连续原理磁通连续原理)：在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量恒为零。在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量恒为零。因为磁感线是闭合曲线，穿入封闭曲面的磁感线条数因为磁感线是闭合曲线，穿入封闭曲面的磁感线条数和穿出封闭曲面的磁感线条数一定相等，故通过封闭和穿出封闭曲面的磁感线条数一定相等，故通过封闭曲面的磁通量恒为零。曲面的磁通量恒为零。B线闭合，无头无尾，这说明不存在单独磁荷线闭合，无头无尾，这说明不存在单独磁荷(即磁单极子不存在即磁单极子不存在)。26点击深色键返回原处点击深色键返回原处(,17771851)27