大学物理-电流与磁场.ppt

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1、物理学物理学 大学物理大学物理第十章第十章 电电 流流 与与 磁磁 场场大学物理大学物理 1.1.电流电流 第一节第一节 稳恒电流与稳恒电场稳恒电流与稳恒电场2.2.电流强度电流强度单位：库仑单位：库仑/秒秒=安培安培 电流电流 电流强度电流强度 传导电流：带电粒子在导体中作定向运动。传导电流：带电粒子在导体中作定向运动。运流电流：带电粒子在空间作定向运动。运流电流：带电粒子在空间作定向运动。位移电流：变化的电场产生。位移电流：变化的电场产生。单位时间内通过导体横截面的电量。单位时间内通过导体横截面的电量。大学物理大学物理 通过导体中任意截面通过导体中任意截面S S的电流强度为的电流强度为 通

2、过导体中任意截面通过导体中任意截面dS 的电流的电流大小：大小：单位时间内通过导体内垂直于电流方向的单位面积的电量单位时间内通过导体内垂直于电流方向的单位面积的电量 方向：方向：为该点电流方向为该点电流方向单位：单位：电流密度电流密度大学物理大学物理 表示在单位时间内从表示在单位时间内从S S面内流出的电荷量面内流出的电荷量负号表示电荷的负号表示电荷的“减少减少”恒定电流恒定电流 电流场的大小和方向都电流场的大小和方向都不随时间变化，即电荷的分布不随时间不随时间变化，即电荷的分布不随时间变化。即变化。即电流的恒定条件：电流的恒定条件：SI 电流的连续性方程电流的连续性方程大学物理大学物理 电电

3、源源是是如如何何把把正正电电荷荷由由低低电电势势的的一一端端送送回高电势的一端的回高电势的一端的 如如果果静静电电力力不不行行，那那么么电电源源又又是是靠靠什什么么力力把把正电荷由低电势的一端送回高电势的呢？正电荷由低电势的一端送回高电势的呢？电电源源能能否否依依靠靠静静电电力力把把正正电电荷荷由由低低电电势势的的一端送回高电势的一端？一端送回高电势的一端？问问问问 题题题题1 1问问问问 题题题题2 2探究探究探究探究 电源及其电动势电源及其电动势1 1 1 1、电源、电源、电源、电源 导导线线中中的的正正电电荷荷在在静静电电力力的的驱驱动动下下由由高高电电势流向低电势。势流向低电势。大学物

4、理大学物理 非静电力：非静电力：在电源内部存在的一在电源内部存在的一种能把正电荷由负极推向正极的种能把正电荷由负极推向正极的作用力，用作用力，用FK表示。表示。*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。池，发电机等。*实际上电源是把其它形式能量实际上电源是把其它形式能量转换为电能的装置。转换为电能的装置。水池水池泵泵静电力欲使正电荷从高电位到低电位。静电力欲使正电荷从高电位到低电位。非静电力欲使正电荷从低电位到高电位。非静电力欲使正电荷从低电位到高电位。大学物理大学物理 2 2 2 2、电源的电动势、电源的电

5、动势、电源的电动势、电源的电动势 定义：定义：把单位正电荷从负极通过电源内部移到正把单位正电荷从负极通过电源内部移到正极时，非静电力所做的功极时，非静电力所做的功 非静电力的功：非静电力的功：Ak电源的电动势：电源的电动势：非静电场强度：非静电场强度：EK单位正电荷所受的非静电力单位正电荷所受的非静电力大学物理大学物理 电动势与非静电场强度的关系电动势与非静电场强度的关系 凡是有凡是有非静电力非静电力存在的空间均可认为存在一种与之对应的存在的空间均可认为存在一种与之对应的非静电场非静电场，沿其中任意路径上就会存在，沿其中任意路径上就会存在电动势电动势。（1 1）电动势反映电源中非静电力作功的本

6、领，表征电源本身特）电动势反映电源中非静电力作功的本领，表征电源本身特性，与外电路的状况无关。性，与外电路的状况无关。（2 2）电动势是标量，但有方向，方向为负极经电源内部到正极。）电动势是标量，但有方向，方向为负极经电源内部到正极。说说 明明大学物理大学物理 数学知识复习：矢量的叉乘数学知识复习：矢量的叉乘大学物理大学物理 E静止的电荷产生静电场。静止的电荷产生静电场。运动的电荷产生什么场？运动的电荷产生什么场？运动的电荷既产生电场，运动的电荷既产生电场，又产生又产生磁场磁场！空间分布不随时间变化的电流称为空间分布不随时间变化的电流称为稳恒电流稳恒电流。稳恒电流产生的磁场称为稳恒电流产生的磁

7、场称为稳恒磁场稳恒磁场不随时不随时间变化的磁场。间变化的磁场。运动的电荷形成运动的电荷形成电流电流。第二节第二节 磁感应强度磁感应强度 基本磁现象基本磁现象大学物理大学物理 电流电流 电流电流磁体磁体磁体磁体电流电流 磁体磁体运动电荷运动电荷磁体磁体IFFSNSN同极相斥同极相斥异极相吸异极相吸ISN大学物理大学物理 磁体磁体磁体磁体SNSN同极相斥同极相斥异极相吸异极相吸电流电流 磁体磁体ISN电流电流 电流电流IFF运动电荷运动电荷磁体磁体大学物理大学物理 无磁性无磁性I分子电流分子电流物质的磁性起源物质的磁性起源探究探究探究探究 安培分子电流假说安培分子电流假说了解了解了解了解 分子环流

8、：原子外围分子环流：原子外围电子运动形成的电流电子运动形成的电流非磁性材料：分子电非磁性材料：分子电流环无规则排布，对流环无规则排布，对外整体不显磁性。外整体不显磁性。有磁性：有磁性：大学物理大学物理 一切磁现象都起源于运动电荷一切磁现象都起源于运动电荷作用作用作用作用产生产生产生产生运动电荷运动电荷运动电荷运动电荷磁场磁场磁场磁场磁场：在运动电荷（或电流）周围存在一种特殊物质，磁场：在运动电荷（或电流）周围存在一种特殊物质，当其它运动电荷（或电流）进入其中将受到力的作用。当其它运动电荷（或电流）进入其中将受到力的作用。大学物理大学物理 10.2.2 10.2.2 磁感应磁感应强度强度 描描述

9、磁场强弱与方向的物理量述磁场强弱与方向的物理量 运运动动电电荷荷所所受受的的磁磁力力Fm大大小小和方向与和方向与q,v及及有关。有关。当当电电荷荷沿沿某某一一特特殊殊方方向向运运动动时时，所受磁力为最大：所受磁力为最大：Fmax+q 当沿与前一方向垂直的方向运当沿与前一方向垂直的方向运动时，所受磁力为零。动时，所受磁力为零。大学物理大学物理 定定义义2、磁感强度的、磁感强度的大小大小为：为：1、磁感强度的、磁感强度的方向方向：为电荷不受磁力时的运动速度方向。为电荷不受磁力时的运动速度方向。+q单位单位 特斯拉特斯拉 高高 斯斯+q-q大学物理大学物理 -电流元产生磁场电流元产生磁场的规律的规律

10、第三节第三节 毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律10.3.1 10.3.1 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律 IP.a电流元电流元磁感的磁感的大小大小:真空的磁导率真空的磁导率磁感的磁感的方向方向:由由Idl转向转向r 的右手螺旋方向。的右手螺旋方向。综综合合以以上上两两点有：点有：大学物理大学物理 几点讨论：几点讨论：1.dB的大小的大小1）与与Idl成成正正比比，与与距距离离r的的平平方成反比；方成反比；2）与）与r 和和Idl的夹角的正弦成正比：的夹角的正弦成正比：在与电流元垂直的方向上，磁感最大；如在与电流元垂直的方向上，磁感最大；如P1点；点；在与电流元重合的方向上，磁感为零；如在与电流元重

11、合的方向上，磁感为零；如P2点；点；2.dB的方向的方向垂直于电流元垂直于电流元 Idl 和矢径和矢径 r 构成的平面构成的平面p1pp2大学物理大学物理 计算各种电流分布产生的磁场的磁感强度计算各种电流分布产生的磁场的磁感强度基本步骤：基本步骤：1 1）任任取取电电流流元元IdlIdl,求求出出其其在在场场点点 P P 产产生生的的磁磁感感dB dB 的的大大小小与方向：与方向：10.3.2 10.3.2 毕奥毕奥萨伐尔的应萨伐尔的应用用 2)分分析析当当电电流流元元沿沿电电流流移移动动时时，dB方向是否变化：方向是否变化：若不变若不变,直接积分直接积分;若变化若变化,则要将则要将dB适当的

12、分适当的分解解,对各分量分别积分对各分量分别积分,然然后再合成起来后再合成起来p大学物理大学物理 XYaP1.1.1.1.直电流的磁场直电流的磁场直电流的磁场直电流的磁场任取电流元任取电流元各电流元的各电流元的 dB dB 的方向都相同的方向都相同大小大小:方向方向:+已知：已知：真空中真空中,求：求：p p点的磁感强度点的磁感强度.dll大学物理大学物理 XYaP+dll统一积分变量，用统一积分变量，用 a和和 表示表示 l 和和 r大学物理大学物理 P+a 无限长载流直导线无限长载流直导线讨讨 论论 半无限长载流直导线半无限长载流直导线 载流直导线延长线上载流直导线延长线上所有所有每个电流

13、元与其到场点每个电流元与其到场点的矢径都相平行的矢径都相平行.大学物理大学物理 p pR R2.2.2.2.圆电流轴线上的磁场圆电流轴线上的磁场圆电流轴线上的磁场圆电流轴线上的磁场已知已知:R R、I I求求轴线上轴线上P P点的点的建立坐标系建立坐标系OXYOXY任取电流元任取电流元分析对称性、写出分量式分析对称性、写出分量式B B 的大小：的大小：方向：方向：各电流元的各电流元的 dB dB 的方向都不相同。的方向都不相同。大学物理大学物理 统一积分变量统一积分变量结论结论方向：方向：与电流方向满足右手螺旋法则与电流方向满足右手螺旋法则大小：大小：pR大学物理大学物理 1.1.圆心圆心 载

14、流圆环载流圆环 载流圆弧载流圆弧I II I圆心角圆心角 圆心角圆心角讨讨论论大学物理大学物理 3.3.3.3.载流螺线管轴线上的磁场载流螺线管轴线上的磁场载流螺线管轴线上的磁场载流螺线管轴线上的磁场 已知螺线管半径为已知螺线管半径为R，单位长度上有，单位长度上有n 匝匝P讨论讨论(1)无限长载流螺线管无限长载流螺线管(2)半无限长载流螺线管半无限长载流螺线管 大学物理大学物理 例题例题:一无限长载流导线弯成如图所示的形状，其中一无限长载流导线弯成如图所示的形状，其中becbec为四分之一圆弧，半径为为四分之一圆弧，半径为R R。求圆心处的磁感应强度。求圆心处的磁感应强度。abcdeo【解解】

15、方向均垂直于纸面向外方向均垂直于纸面向外 方向均垂直于纸面向里方向均垂直于纸面向里方向垂直于纸面向外方向垂直于纸面向外方向垂直于纸面向外方向垂直于纸面向外 大学物理大学物理 例题：例题：半径为半径为R的均匀带正电圆环，电荷线密度为的均匀带正电圆环，电荷线密度为，以角速度以角速度绕通过环心且垂直于环面的轴转动。求环心绕通过环心且垂直于环面的轴转动。求环心处的磁场。处的磁场。q qR R【解解】带电体转动，形成圆电流。带电体转动，形成圆电流。方向垂直纸面向内方向垂直纸面向内 【问问题题延延伸伸】做做圆圆周周运运动动的的的的电电荷荷、均均匀匀带带电电的的圆圆形形导导线线、薄薄圆圆盘盘等等绕绕过过圆圆心心垂垂直直圆圆面面的的轴轴转转动动时时，在在圆圆心处产生的磁场都可以用这种方法来求解。心处产生的磁场都可以用这种方法来求解。等效电流强度为：等效电流强度为：