物理工恒定电流的磁场精品文稿.ppt

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1、物理工恒定电流的磁场第1页，本讲稿共26页规定正电荷流动规定正电荷流动的方向为正方向。的方向为正方向。6.1.1 电流电流 电流密度电流密度 单位时间内通过任一截面的电量称为电流强度。它是单位时间内通过任一截面的电量称为电流强度。它是表示电路中电流强弱的物理量。用标量用表示电路中电流强弱的物理量。用标量用 I 表示。表示。单位：安培单位：安培(A)1安培安培=1库仑库仑/秒秒它是国际单位中的基本量。它是国际单位中的基本量。常用毫安（常用毫安（mA）、）、微安（微安（A）标量标量第2页，本讲稿共26页 当通过任一截面的电量不均匀时，用电流强度来描述就当通过任一截面的电量不均匀时，用电流强度来描述

2、就不够用了，有必要引入一个描述空间不同点电流的大小。不够用了，有必要引入一个描述空间不同点电流的大小。（1）定义定义电流密度矢量电流密度矢量 的方向为的方向为空间某点处正电荷的运动方向空间某点处正电荷的运动方向,它的大小等于单位时间内该点附它的大小等于单位时间内该点附近垂直与电荷运动方向的单位截近垂直与电荷运动方向的单位截面上所通过的电量。面上所通过的电量。4.1.2 电流密度电流密度 电流密度矢量的方向定义为垂直于截面电流密度矢量的方向定义为垂直于截面 。第3页，本讲稿共26页设某点处电流密度为设某点处电流密度为 ，为为 面的法线方向。面的法线方向。通过任意面元通过任意面元dS的电流为的电流

3、为与与(2)的关系的关系通通过过导导体体中中任任意意截截面面S S的的电电流流强强度度与与电电流密度矢量的关系为流密度矢量的关系为 第4页，本讲稿共26页6.1.26.1.2电流的连续性方程和恒定电流的条件电流的连续性方程和恒定电流的条件 根据电荷守恒，对于任意闭合面，根据电荷守恒，对于任意闭合面，有有恒定电流条件恒定电流条件 电电流流线线连连续续性性地地穿穿过过闭闭合合曲曲面面所所包包围围的的体体积积，不不能能在在任任何何地地方中断，永远方中断，永远是是闭合曲线闭合曲线。恒定电场：与恒定电流相联系的场恒定电场：与恒定电流相联系的场 电荷分布不随电荷分布不随时间变化时间变化面内电量的减少面内电

4、量的减少单位时间内流出该曲面的电量等于单位时间内流出该曲面的电量等于曲面内电量的减少率曲面内电量的减少率。闭合面内流闭合面内流出的电流出的电流产生恒定电流的电场与静电场服从同样的基本规律，如高斯定产生恒定电流的电场与静电场服从同样的基本规律，如高斯定律和环路定理律和环路定理,电势差的概念等均成立。电势差的概念等均成立。第5页，本讲稿共26页6.1.3 电动势电动势4.4.1 电源、电源、非静电力非静电力+如图，在导体中有稳恒电流流动如图，在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静电场，必须有非静就不能单靠静电场，必须有非静电力把正电荷从负极板搬到正极电力把正电荷从负极板搬到正极板才能在导体两端维持有稳

5、恒的板才能在导体两端维持有稳恒的电势差，电势差，在导体中有稳恒的电场及稳恒的电流。在导体中有稳恒的电场及稳恒的电流。(1)提供非静电力的装置就是电源，提供非静电力的装置就是电源，如化学电池、硅（硒）太阳能电如化学电池、硅（硒）太阳能电池，发电机等。实际上电源是把池，发电机等。实际上电源是把能量转换为电能的装置。能量转换为电能的装置。水池水池泵泵静电力静电力欲使欲使正电荷从高电位到正电荷从高电位到低低电位电位。非静电力非静电力欲使欲使正电荷从正电荷从低低电位到高电位电位到高电位。第6页，本讲稿共26页4.4.2 电动势电动势(1)定义描述电源非静电力作功能定义描述电源非静电力作功能力大小的量，就

6、是电源电动势。力大小的量，就是电源电动势。电源内部电流从负极板到正极板叫内电路。电源内部电流从负极板到正极板叫内电路。电源外部电流从正极板到负极板叫外电路。电源外部电流从正极板到负极板叫外电路。+把单位正电荷从负极板经内电路搬把单位正电荷从负极板经内电路搬至正极板，电源非静电力做的功。至正极板，电源非静电力做的功。(2)为了便于计算为了便于计算,规定规定 的的方向由方向由负极板经内电路指向正极板，即正负极板经内电路指向正极板，即正电荷运动的方向。电荷运动的方向。+单位：焦耳单位：焦耳/库仑库仑=（伏特）（伏特）(3)越大表示电源将其它形式能量转换为电能的本领越大。其大越大表示电源将其它形式能量

7、转换为电能的本领越大。其大小与电源结构有关，与外电路无关小与电源结构有关，与外电路无关。第7页，本讲稿共26页内电路内电路非静电力非静电力因为电源外部没有非静电力，因为电源外部没有非静电力，所以可写为：所以可写为：单位时间内非静单位时间内非静电力所做的功。电力所做的功。第8页，本讲稿共26页6.2.1.基本此现象基本此现象 电流与磁场电流与磁场天然磁铁天然磁铁 磁铁矿（磁铁矿（Fe3O4）NSSN特性特性:(1)能吸引铁、钴、镍等物质能吸引铁、钴、镍等物质;(2)同性磁极相斥同性磁极相斥,异性磁极相吸异性磁极相吸;NS(3)目前还无法获得磁单极目前还无法获得磁单极,N极和极和S极同时存在极同时

8、存在.NSS NS N SN S NSNSN6.2磁场磁场 磁感应强度磁感应强度第9页，本讲稿共26页（4）电流的磁效应）电流的磁效应:H.Oersted(丹麦丹麦)实验实验:I（5）安培力）安培力:NSI安培安培(法法)发现发现:?(1819.7.21发现发现)电流电流电流电流磁磁铁铁磁磁铁铁电电相互作用由相互作用由电场电场传递传递；磁磁相互作用由相互作用由磁场磁场传递传递。磁铁磁铁 磁铁磁铁电流电流电流电流磁场磁场第10页，本讲稿共26页6.2.2.6.2.2.6.2.2.6.2.2.磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度 设设带带电电量量为为q，速速度度为为v的的运运动动试试探探电电荷

9、荷处处于于磁磁场场中中，实实验验发现：发现：（2）在在磁磁场场中中的的p点点处处存存在在着着一一个个特特定定的的方方向向，当当电电荷荷沿沿此此方方向向或或相相反反方方向向运运动动时时，所所受受到到的的磁磁力力为为零零，与与电电荷荷本本身身性性质质无无关关;（1）当当运运动动试试探探电电荷荷以以同同一一速速率率v沿沿不不同同方方向向通通过过磁磁场场中中某某点点 p 时时，电电荷荷所所受受磁磁力力的的大大小小是是不不同同的的，但但磁磁力力的的方方向向却总是与电荷运动方向（却总是与电荷运动方向（）垂直；）垂直；（3）在在磁磁场场中中的的p点点处处，电电荷荷沿沿与与上上述述特特定定方方向向垂垂直直的的

10、方方向向运运动动时时所所受受到到的的磁磁力力最最大大(记记为为Fm)，并并且且Fm与与qv的的比比值值是是与与q、v无无关关的确定值。的确定值。第11页，本讲稿共26页 磁感应强度磁感应强度 的定义：的定义：大小大小:磁感应强度的磁感应强度的大小大小等于运动电荷所受的等于运动电荷所受的最大洛仑兹力最大洛仑兹力与与 的比；的比；定义式定义式:+指向指向:由右手螺旋法则确定。由右手螺旋法则确定。垂直于垂直于 和和 组成的平面，组成的平面，方向方向:+方向方向:时时,检验电荷运动速度的方向。检验电荷运动速度的方向。即小磁针即小磁针N极所指的方向极所指的方向单位单位：特斯拉特斯拉(T)(T)高斯（高斯

11、（GsGs）1T=101T=104 4GsGs第12页，本讲稿共26页6.36.3毕奥毕奥 萨伐尔定律萨伐尔定律 6.3.1毕奥毕奥 萨伐尔定律萨伐尔定律 产生的磁感应强度产生的磁感应强度 的大小的大小与电流元到与电流元到P P点的距离点的距离 的平的平方成反比方成反比,与与 和和 的夹角的的夹角的电流元电流元 在空间任一点在空间任一点P P与电流元的大小与电流元的大小 成正比成正比，的方向的方向。正弦成正比。正弦成正比。的方向为的方向为电流元电流元:大小大小:方向方向:切线切线单位矢量单位矢量:真空磁导率真空磁导率:大小大小:方向方向:沿沿的方向的方向第13页，本讲稿共26页沿载流导线积分沿

12、载流导线积分注意注意:一般一般 某一点的磁感应强度某一点的磁感应强度等于所有电流元在该点产等于所有电流元在该点产生的磁感应强度的矢量和生的磁感应强度的矢量和:要求要求:明确各量含义明确各量含义,会判断会判断 的方向的方向,理解迭加原理，理解迭加原理，会计算直电流、会计算直电流、“圆电流圆电流”在圆心的磁感应强度。在圆心的磁感应强度。第14页，本讲稿共26页载流直导线的磁场载流直导线的磁场分割，取微元分割，取微元Idl，微元在，微元在P 点的磁感应强度点的磁感应强度 叠加叠加 第15页，本讲稿共26页计算 第16页，本讲稿共26页ACP(3)(3)直电流延长线上直电流延长线上:(1)(1)半无限

13、长直电流半无限长直电流:(2)(2)无限长直电流无限长直电流:例例2.两根平行的无限长直电流两根平行的无限长直电流,相距相距a.求求:P点的磁感应强度点的磁感应强度解解:分析分析设向外为正设向外为正第17页，本讲稿共26页例例3.3.求载流圆线圈在轴线上产生的磁感应强度求载流圆线圈在轴线上产生的磁感应强度.XOIP解解:分析分析:I求求:已知已知:半径半径 ,电流强度电流强度 ,第18页，本讲稿共26页(3)(3)N N 匝匝:（1 1）圆心处）圆心处:思考思考:轴线上轴线上 的特征的特征?哪点哪点,最大最大?(2)(2)圆（或圆心角为圆（或圆心角为）电流在圆心处电流在圆心处:（4 4）在轴线

14、上，离线圈很远的地方）在轴线上，离线圈很远的地方xR令令 为平面线圈的磁矩为平面线圈的磁矩,平面线圈的法线方向平面线圈的法线方向（与电流成右手螺旋关系）（与电流成右手螺旋关系）第19页，本讲稿共26页求求:O点的磁感应强度点的磁感应强度例例4.如图所示电流如图所示电流,O点是四分之一点是四分之一圆电流的圆心圆电流的圆心.解解:分析分析:要求：会计算载流导线弯成一定形状的磁场要求：会计算载流导线弯成一定形状的磁场第20页，本讲稿共26页练练习习第21页，本讲稿共26页6.46.46.46.4磁场的高斯定理磁场的高斯定理磁场的高斯定理磁场的高斯定理几种不同形状电流磁场的磁感应线几种不同形状电流磁场

15、的磁感应线 1 1 磁感应线的性质磁感应线的性质电流电流磁感应线磁感应线与电流套连与电流套连闭合曲线闭合曲线(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6.4.1磁感应线磁感应线 磁通量磁通量第22页，本讲稿共26页单位单位:韦伯韦伯(Wb)(Wb)定义定义:S 规规定定：通通过过磁磁场场中中某某点点处处垂垂直直于于 矢矢量量的的单单位位面面积积的的磁磁感感应应线线数数等等于于该该点点 矢矢量量的的量量值值。磁磁感感应应线线越越密密，磁磁场场越越强强；磁磁感感应应线线越越稀稀，磁磁场场就就越越弱弱，磁感线的分布能形象地反映磁场的方向和大小特征

16、。磁感线的分布能形象地反映磁场的方向和大小特征。2 磁通量磁通量磁通量：磁通量：穿过磁场中任一穿过磁场中任一给定曲面的磁感线总数给定曲面的磁感线总数。第23页，本讲稿共26页 穿穿过过任任意意闭闭合合曲曲面面S S的的总总磁磁通通必必然然为为零零，这这就就是是磁磁场的场的高斯定理高斯定理。说明磁场是说明磁场是无源场无源场。2.磁场的高斯定理磁场的高斯定理 由由磁磁感感应应线线的的闭闭合合性性可可知知，对对任任意意闭闭合合曲曲面面，穿穿入入的的磁磁感感应应线线条条数数与与穿穿出出的的磁磁感感应应线线条条数数相相同同，因因此此，通过任何闭合曲面的磁通量为零。通过任何闭合曲面的磁通量为零。高斯定理的高斯定理的积分形式积分形式第24页，本讲稿共26页例例 两平行载流直导线两平行载流直导线 过图中矩形的过图中矩形的磁通量磁通量求求 两线中点两线中点l解：解：、在在A点的磁场点的磁场方向方向第25页，本讲稿共26页l如图取微元如图取微元方向方向第26页，本讲稿共26页