磁现象与电现象的联系.ppt
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1、第五章第五章 恒定电流的磁场恒定电流的磁场作业作业 1 磁现象及其与电现象的联系磁现象及其与电现象的联系一、磁现象一、磁现象1、天然磁铁的磁现象:吸引铁、钴、镊、天然磁铁的磁现象:吸引铁、钴、镊 有磁极:有磁极: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、电流的磁场奥斯特实验及其意义19世纪世纪20年代前,磁和年代前,磁和电是独立发展的电是独立发展的奥斯特奥斯特,丹麦物理学家丹麦物理学家 Hans Christian Oersted深受康德哲学关于深受康德哲学关于“自自然力然力”统一观点的影响,统一观点的影响,试图找出电、磁之间
2、的试图找出电、磁之间的关系关系 奥斯特实验表明长直载流导线使与之平行放置的磁长直载流导线使与之平行放置的磁针受力偏转针受力偏转电流的磁效应电流的磁效应磁针是在水平面内偏转的磁针是在水平面内偏转的 横向力横向力突破了非接触物体之间只存在有心突破了非接触物体之间只存在有心力的观念力的观念拓宽了作用力的类型拓宽了作用力的类型意义意义揭示了电现象与磁现象的联系揭示了电现象与磁现象的联系宣告电磁学作为一个统一学科宣告电磁学作为一个统一学科诞生诞生历史性的突破历史性的突破此后迎来了电磁学蓬勃发展的此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮高潮评价评价 Ampere写写道道:“Oerster先先生生已已经经永永远远把把
3、他他的的名名字字和和一一个个新新纪纪元联系在一起了元联系在一起了”Faraday评评论论说说:“它它突突然然打打开开了了科科学学中中一一个个一一直直是是黑黑暗暗的的领领域域的的大门,使其充满光明大门,使其充满光明”相关实验相关实验9.18 Ampere圆电流对磁针圆电流对磁针作用作用 9.25 Ampere平平行行电电流流对对磁磁针针作用作用9.25 Arago 钢钢片片被被电电流流磁磁化化磁铁对电流的作用磁铁对电流的作用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Ampere螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极确定载流螺线管极性 实验表明载流螺线管相当于磁棒,螺
4、线管的极性与电流成右手螺旋关系一系列实验表明 磁铁 磁铁 电流 电流 都存在相互作用3、关于磁现象的解释:、关于磁现象的解释:安培分子电流假说安培分子电流假说安培认为:安培认为:磁现象的本质是电流磁现象的本质是电流物质的磁性来源于物质的磁性来源于“分子分子”电流电流这是安培根据实验的种种表现作出的重这是安培根据实验的种种表现作出的重要的抽象要的抽象“分子分子”电电流流所谓所谓“分子分子”,是指构成物质的基,是指构成物质的基元,当时对物质结构和分子、原子元,当时对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅的认识还很肤浅 每个分子都有电流环绕着,当分子每个分子都有电流环绕着,当分子排列整齐时,它们的电流合
5、起来就排列整齐时,它们的电流合起来就可以满足磁棒的磁性所需要的电流可以满足磁棒的磁性所需要的电流 磁化可视为使物质中的分子电流排磁化可视为使物质中的分子电流排列整齐显示出总体效果列整齐显示出总体效果以以“分子电流分子电流”取代磁荷取代磁荷 能解释磁棒与载流螺线管的能解释磁棒与载流螺线管的等效性等效性可将种种磁相互作用归结为电流之可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用间的相互作用将人类对磁的研究引入到了正确的将人类对磁的研究引入到了正确的轨道!轨道!二、磁场二、磁场1、磁场的概念:磁场就是运动电荷激发或、磁场的概念:磁场就是运动电荷激发或产生的一种物质。产生的一种物质。2、基本任务、基本任务
6、: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?3、磁磁 感感 强强 度度 的的 定定 义义 带电粒子在磁场中运动所受的力与运带电粒子在磁场中运动所受的力与运动方向有关动方向有关.实验发现带电粒实验发现带电粒子在磁场中沿某一特定子在磁场中沿某一特定直线方向运动时不受力,直线方向运动时不受力,此直线方向与电荷无关此直线方向与电荷无关.+带电粒子在磁场中带电粒子在磁场中沿其他方向运动时沿其他方向运动时 垂直垂直于于 与特定直线与特定直线所组成的平面所组成的平面.当带电粒子在磁场当带电粒子在磁场中垂直于此特定直线
7、运中垂直于此特定直线运动时受力最大动时受力最大.大小与大小与 无关无关磁感强度磁感强度 的定义:的定义:当正电荷垂直于当正电荷垂直于 特定直线运动时特定直线运动时,受力受力 将将 在磁场中的方向定义为该点的在磁场中的方向定义为该点的 的方向的方向.磁感强度大小磁感强度大小:单位单位 特斯拉特斯拉+运动电荷在磁场中受力运动电荷在磁场中受力高高 斯斯一一 毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律(电流元在空间产生的磁场电流元在空间产生的磁场)P*真空磁导率真空磁导率 2 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律 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磁感强度叠加原理叠加原理P*例例 判断下
8、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:2、4、6、8 点点:毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律12345678 例例1 载流长直导线的磁场载流长直导线的磁场.解解二二 毕奥萨伐尔定律应用举例毕奥萨伐尔定律应用举例PCD*方向均沿方向均沿 x 轴的负方向轴的负方向PCD*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载流长直导线PCD半无限长半无限长载流长直导线载流长直导线 无限长载流长直导线的磁场无限长载流长直导线的磁场IBIBX X 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 例例2 圆形载流导线轴线上的磁场圆形载流导线轴
9、线上的磁场.p*解解p*p*I讨讨论论(1)若线圈有若线圈有 匝匝(2)(3)R (3)oIIRo (1)x推推广广组组合合o (2)RI Ad(4)*oI(5)*IS三三 磁偶极矩磁偶极矩IS 说明:说明:只有当圆形电流的只有当圆形电流的面积面积S很小,或场点很小,或场点距圆电流距圆电流很远时,才能把圆电流叫做很远时,才能把圆电流叫做磁偶极子磁偶极子.如图所示,有一长为如图所示,有一长为l,半径为半径为R的载的载流密绕直螺线管,螺线管的总匝数为流密绕直螺线管,螺线管的总匝数为N,通,通有电流有电流I.设把螺线管放在真空中,求管内设把螺线管放在真空中,求管内轴线上一点处的磁感强度轴线上一点处的
10、磁感强度.例例3 载流直螺线管内部轴线上的磁场载流直螺线管内部轴线上的磁场.PR *解解 由圆形电流磁场公式由圆形电流磁场公式PR *OR *OR *O 讨讨 论论(1)P点位于管内点位于管内轴线中点轴线中点若若(2)无限长的)无限长的螺线管螺线管 (3)半无限长)半无限长螺线管螺线管xBO5.3 磁场的高斯定理磁场的高斯定理一、磁通量一、磁通量 为为了了研研究究磁磁场场的的性性质质,仿仿照照电电场场的的情情况况,引引入入磁通量磁通量的概念。的概念。通通过过磁磁场场中中面面元元dsds的的磁磁感感应应通通量量(即即磁磁通通量量)定义为定义为 ;对于任意曲面对于任意曲面s s,通过它的磁通量为:
11、,通过它的磁通量为:在在国国际际单单位位制制中中,磁磁通通量量的的单单位位为为特特斯斯拉拉米米2 2(TmTm2 2),又称韦伯(),又称韦伯(WbWb)。即)。即1Wb=1Tm1Wb=1Tm2 2 二、磁场的高斯定理二、磁场的高斯定理 在静电场中有:在静电场中有:那么磁场中:那么磁场中:磁场中的高斯定理:磁场中的高斯定理:即:通过磁场中任一闭合曲面即:通过磁场中任一闭合曲面S的总磁通量恒等于零的总磁通量恒等于零 证明:证明:单个电流元单个电流元Idl产生的产生的磁场特点磁场特点:以:以dl方向为轴方向为轴线的一系列同心圆,圆周上线的一系列同心圆,圆周上B 处处相等;处处相等;-以上述任意圆周
12、为中心轴线,取无限细的以上述任意圆周为中心轴线,取无限细的“磁感应管磁感应管”证明:证明:单个电流元单个电流元Idl的产生的的产生的磁场特磁场特点点:以:以dl方向为轴线的一系列方向为轴线的一系列同心圆,圆周上同心圆,圆周上B 处处相等;处处相等;-以上述任意圆周为中心轴线,取无以上述任意圆周为中心轴线,取无限细的限细的“磁感应管磁感应管”,显然管内,显然管内任意两点处有:任意两点处有:考考察察任任一一磁磁感感应应管管(正正截截面面为为),取取任任意意闭闭合合曲曲面面S S,磁磁感感应应管穿入管穿入S S一次,穿出一次一次,穿出一次。n结结论论:任任一一磁磁感感应应管管经经闭闭合合曲曲面面S
13、S的磁通量为零的磁通量为零推广到任意载流回路的磁场推广到任意载流回路的磁场一个电流元一个电流元产生的磁场可看成由许多磁感应管组成产生的磁场可看成由许多磁感应管组成有的穿入又穿出,有上述结论有的穿入又穿出,有上述结论 有的没穿过有的没穿过S S,磁通量为零,磁通量为零 任任意意载载流流回回路路由由许许多多电电流流元元串串联联而而成成,由由叠叠加加原理得原理得结论结论:通过磁场中任一闭合曲面:通过磁场中任一闭合曲面S S的总磁通量恒等的总磁通量恒等于零。于零。三、磁感应线三、磁感应线 1、引入:为了形象的描述磁场的空间分布,按照下面的规定在空间作出一系列曲线:(1)曲线上任一点切线方向是该点的磁感
14、应强度B B的方向;(2)通过垂直于B B的单位面积上的曲线根数等于该点B B的大小,即曲线密处磁场强,曲线稀处磁场弱。如此作出的曲线称为磁感应线。2 2、特点:、特点:(1 1)磁磁感感应应线线都都是是无无头头无无尾尾的的:闭闭合合曲曲线线或或两两头头伸向无穷远;伸向无穷远;(2 2)闭闭合合的的磁磁感感应应线线和和载载流流回回路路象象锁锁链链的的各各环环那那样相互套连在一起;样相互套连在一起;(3 3)磁磁感感应应线线和和电电流流的的方方向向相相互互服服从从右右手手定定则则:若若以以右右手手伸伸直直的的大大拇拇指指代代表表电电流流的的方方向向,则则弯弯曲曲的的四四指指沿沿磁磁应应线线方方向
15、向;反反之之,弯弯曲曲的的四四指指沿沿电电流流方方向时,则拇指指向磁感应线方向向时,则拇指指向磁感应线方向 。模拟法获得磁感线模拟法获得磁感线III 切线方向切线方向 的方向;的方向;疏密程度疏密程度 的大小的大小.SNISNI3 3、磁感应强度通量的意义:、磁感应强度通量的意义:磁通量:穿过曲面磁通量:穿过曲面S的的B线的条数!线的条数!静电场是静电场是“有源的有源的”那么:那么:4 4、磁场高斯定理的意义:、磁场高斯定理的意义:磁场是磁场是“无源的无源的”这这个个定定理理更更根根本本的的意意义义在在于于它它使使我我们们有有可可能能引引入入另另一一个个矢矢量量矢矢量量势势(或或矢矢量量位位)
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