西安交通大学大学物理5.pptx

University Physics线圈所受的力矩线圈所受的力矩磁场力的功磁场力的功 安培力所做的安培力所做的功功等于等于电流强度电流强度乘以导线所扫过的乘以导线所扫过的磁通量磁通量洛伦兹力洛伦兹力霍尔效应霍尔效应霍耳系数霍耳系数一一.磁介质及其分类磁介质及其分类1.磁介质磁介质 放入磁场中能够显示磁性的物质放入磁场中能够显示磁性的物质 电介质放入外场电介质放入外场磁介质放入外场磁介质放入外场相对磁导率相对磁导率 反映磁介质对原磁场的影响程度反映磁介质对原磁场的影响程度 9.7 物质的磁性物质的磁性2.磁介质的分类磁介质的分类（1）顺磁质）顺磁质（2）抗磁质）抗磁质减弱原场减弱原场增强原场增强原场如如 锌、铜、水银、铅等锌、铜、水银、铅等如如 锰、铬、铂、氧等锰、铬、铂、氧等弱磁性物质弱磁性物质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1（3）铁磁质）铁磁质通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有显著的增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质如：铁，钴，镍及其合金等如：铁，钴，镍及其合金等3.有磁介质存在时的磁场有磁介质存在时的磁场二二.磁化机理磁化机理原子中电子的轨道磁矩原子中电子的轨道磁矩1.安培分子环流的概念和方法安培分子环流的概念和方法电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩电子自旋磁矩电子自旋磁矩与轨道磁矩有与轨道磁矩有相同的数量级相同的数量级分子固有磁矩分子固有磁矩 所有电子磁矩的总和所有电子磁矩的总和抗磁质抗磁质对外不显磁性对外不显磁性顺磁质顺磁质由于热运动，对外也不显磁性由于热运动，对外也不显磁性(1)无外磁场作用时无外磁场作用时2.磁化机理磁化机理(2)有外磁场作用时有外磁场作用时顺磁质顺磁质分子的固有磁矩分子的固有磁矩受力矩受力矩的作用，的作用，使分子的固有磁矩使分子的固有磁矩趋于外磁场方向趋于外磁场方向排列。但由于分子热运动的影响，各分子排列。但由于分子热运动的影响，各分子固有磁矩的取向不可能完全整齐，不过外固有磁矩的取向不可能完全整齐，不过外磁场越强，排列越整齐。磁场越强，排列越整齐。正是由于这种取向排列使得原磁场得到加强，正是由于这种取向排列使得原磁场得到加强，但这种加强很小。但这种加强很小。抗磁质抗磁质它的分子没有固有磁矩，为什么也能受磁场它的分子没有固有磁矩，为什么也能受磁场的影响？的影响？这是由于抗磁质在外磁场的作用这是由于抗磁质在外磁场的作用下产生下产生“感应感应”磁矩磁矩的缘故。的缘故。电子轨道半径不变电子轨道半径不变当外场方向与原子磁矩反方向时当外场方向与原子磁矩反方向时当外场方向与原子磁矩同方向时当外场方向与原子磁矩同方向时结论：结论：无论电子轨道运动如何，外磁场对它的无论电子轨道运动如何，外磁场对它的力矩总使它产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩。力矩总使它产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩。结论：结论：抗磁质磁化抗磁质磁化每个分子中的所有电子都产生每个分子中的所有电子都产生“感应感应”磁矩。磁矩。与外磁场方向相反。与外磁场方向相反。在外磁场中，分子固有磁矩的转向效应不存在。在外磁场中，分子固有磁矩的转向效应不存在。其磁化的主要原因是：引起的附加磁矩。其磁化的主要原因是：引起的附加磁矩。在外场作用下，在外场作用下，则磁介质产生则磁介质产生附加磁场附加磁场将顺磁质放入外场将顺磁质放入外场固有磁矩固有磁矩在外磁场作用下，在外磁场作用下，产生取向转动，产生取向转动，磁矩将转磁矩将转向外场方向向外场方向 宏观上宏观上产生附加磁场产生附加磁场顺磁质磁化顺磁质磁化电子轨道运动，电子自旋运动，核的自旋运动在外磁场的作电子轨道运动，电子自旋运动，核的自旋运动在外磁场的作用下，产生的力矩，使得它们都产生一个与外磁场方向相反用下，产生的力矩，使得它们都产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩（感应磁矩）的附加磁矩（感应磁矩）则磁介质产生附加磁场则磁介质产生附加磁场与外场方向相同与外场方向相同三三.有磁介质的高斯定理有磁介质的高斯定理在磁介质存在时，磁感应线仍然是一系列无头无尾的闭合曲线在磁介质存在时，磁感应线仍然是一系列无头无尾的闭合曲线 含磁介质的磁高斯定理含磁介质的磁高斯定理对于任意闭合曲面对于任意闭合曲面S四四.有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理1.束缚电流束缚电流 磁化强度磁化强度以无限长螺线管为例以无限长螺线管为例定义定义：磁化强度：磁化强度 磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强顺顺磁磁质质在磁介质内部的任一小区域：在磁介质内部的任一小区域：相邻的分子环流的方向相反相邻的分子环流的方向相反在磁介质表面处各点：在磁介质表面处各点：分子环流未被抵消分子环流未被抵消形成沿表面流动的面电流形成沿表面流动的面电流束缚电流束缚电流(磁化电流磁化电流)结论：结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。束缚电流密度束缚电流密度可证明可证明:顺顺磁磁质质2.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理用磁化强度描述束缚电流用磁化强度描述束缚电流定义磁场强度定义磁场强度磁介质的安培环路定理磁介质的安培环路定理磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有所包围的所有传导电流传导电流的代数和。的代数和。讨论讨论 束缚电流与磁化强度束缚电流与磁化强度设单位长度上的束缚电流为设单位长度上的束缚电流为沿沿Z方向磁化的介质体元方向磁化的介质体元取任意闭合回路取任意闭合回路 L，则磁化强度，则磁化强度M 沿沿L 的积分等于穿过此的积分等于穿过此积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。(普遍关系式普遍关系式)则，它产生的磁矩则，它产生的磁矩介质侧面上的束缚电流强度介质侧面上的束缚电流强度(2)对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下 介质的磁化率介质的磁化率一定条件下，可用安培环路定理求解场强度，然后再一定条件下，可用安培环路定理求解场强度，然后再求解磁感应强度。求解磁感应强度。真空中真空中(3)一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率(2)介质内外界面上的束缚电流密度介质内外界面上的束缚电流密度例例求求解解 根据磁介质的安培环路定理根据磁介质的安培环路定理(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度磁介质中的磁化强度和磁感应强度由磁化强度与束缚电流密度的关系由磁化强度与束缚电流密度的关系内界面内界面:外界面外界面:五五.铁磁质铁磁质最主要特征：最主要特征：在外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。在外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。1.磁畴磁畴 磁化微观机理磁化微观机理磁畴中分子磁矩自发地磁化达到饱和磁畴中分子磁矩自发地磁化达到饱和状态状态无无磁化方向与磁化方向与有有 整个铁磁质的总磁矩为零整个铁磁质的总磁矩为零同向的磁畴扩大同向的磁畴扩大磁畴的磁磁畴的磁化方向化方向磁化方向转向磁化方向转向的方向的方向使磁场大大增强使磁场大大增强当外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和当外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力的阻碍，并不能恢复磁化前的状态。内应力的阻碍，并不能恢复磁化前的状态。相对磁导率很大，且不为一个常数相对磁导率很大，且不为一个常数存在一个临界温度存在一个临界温度居里点。居里点。2.宏观磁化现象宏观磁化现象 磁滞回线磁滞回线铁磁质中铁磁质中不是线性关系不是线性关系 剩磁剩磁矫顽力矫顽力(1)实验证明：各种铁磁质的起始磁化曲线都是实验证明：各种铁磁质的起始磁化曲线都是“不可逆不可逆”的，的，磁滞现象磁滞现象讨论讨论(2)要消除剩磁，要依靠铁磁质的矫顽力要消除剩磁，要依靠铁磁质的矫顽力不同材料，矫顽力不同不同材料，矫顽力不同(4)铁磁材料的应用铁磁材料的应用HC 较小较小HC较大较大易磁化，易退磁易磁化，易退磁剩磁较强，不易退磁剩磁较强，不易退磁可作变压器、电机、可作变压器、电机、电磁铁的铁芯电磁铁的铁芯可作永久磁铁可作永久磁铁(3)铁磁质的磁化状态取决于铁磁质此前的磁化历史铁磁质的磁化状态取决于铁磁质此前的磁化历史软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料第第1010章章 变化的磁场和变化的电场变化的磁场和变化的电场M.M.法法拉拉第第(1791(17911869)1869)伟伟大大的的物物理理学学家家、化化学学家家、1919世世纪纪最最伟伟大大的的实实验大师。右图为法拉第用过的螺绕环验大师。右图为法拉第用过的螺绕环电流的磁效应电流的磁效应磁的电效应磁的电效应电生磁电生磁10.1 电磁感应电磁感应法拉第的实验：法拉第的实验：磁铁与线圈有相对运动，线圈中产生电流磁铁与线圈有相对运动，线圈中产生电流 一线圈电流变化，在附近其它线圈中产生电流一线圈电流变化，在附近其它线圈中产生电流电磁感应实验的结论电磁感应实验的结论当穿过一个闭合导体回路所限定的面积的磁当穿过一个闭合导体回路所限定的面积的磁通量发生变化时，回路中就出现感应电流通量发生变化时，回路中就出现感应电流变变变变产生产生电磁感应电磁感应一一.电磁感应现象电磁感应现象二二.电动势电动势电源电源将单位正电荷从电源负极推向电源将单位正电荷从电源负极推向电源正极的过程中，非静电力所作的功正极的过程中，非静电力所作的功定义定义 表征了电源非静电力作功本领的大小表征了电源非静电力作功本领的大小反映电源将其它形式的能量转化为电反映电源将其它形式的能量转化为电 能本领的大小能本领的大小非静电性场强非静电性场强三三.电磁感应定律电磁感应定律法拉第的实验规律法拉第的实验规律感应电动势的大小与通过导体感应电动势的大小与通过导体回路的磁通量的变化率成正比回路的磁通量的变化率成正比负号负号表示感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因表示感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因 楞次定律楞次定律(1)若回路是若回路是 N 匝密绕线圈匝密绕线圈(2)若闭合回路中电阻为若闭合回路中电阻为R则，感应电荷为则，感应电荷为例例 匀强磁场中，导线可在导轨上滑动，匀强磁场中，导线可在导轨上滑动，解解 在任一时刻在任一时刻讨论讨论回路中感应电动势。回路中感应电动势。求求若磁场为变若磁场为变化的磁场化的磁场两个同心圆环，已知两个同心圆环，已知 r1r2,大线圈中大线圈中通有电流通有电流 I,当小圆环绕直径以当小圆环绕直径以 转动转动时时解解大圆环在圆心处产生的磁场大圆环在圆心处产生的磁场 通过小线圈的磁通量通过小线圈的磁通量 例例感应电动势感应电动势求求 小圆环中的感应电动势小圆环中的感应电动势在无限长直载流导线的磁场中，有一运动的导体线框，导在无限长直载流导线的磁场中，有一运动的导体线框，导体线框与载流导线共面，体线框与载流导线共面，解解 通过面积元的磁通量通过面积元的磁通量（方向顺时针方向）（方向顺时针方向）例例求求 线框中的感应电动势。线框中的感应电动势。10.2 感应电动势感应电动势两种不同机制两种不同机制磁场不变，而导体回路运动（磁场不变，而导体回路运动（切割磁场线切割磁场线）-动生电动势动生电动势导体回路不变，空间磁场变化导体回路不变，空间磁场变化-感生电动势感生电动势一一.动生电动势动生电动势单位时间内导线切割的磁场线数单位时间内导线切割的磁场线数电子受洛伦兹力电子受洛伦兹力 非静电力非静电力非静电场非静电场 动生电动势动生电动势应用应用磁场中的运动导线成为电动势源，非静电力就是洛伦兹力磁场中的运动导线成为电动势源，非静电力就是洛伦兹力讨论讨论(1)注意矢量之间的关系注意矢量之间的关系(2)感应电动势的功率感应电动势的功率设电路中感应电流为设电路中感应电流为I I导线受安培力导线受安培力导线匀速运动导线匀速运动电路中感应电动势提供的电电路中感应电动势提供的电能是由外力做功所消耗的机能是由外力做功所消耗的机械能转换而来的械能转换而来的(3)感应电动势做功，感应电动势做功，洛伦兹力不做功？洛伦兹力不做功？洛伦兹力洛伦兹力做功为零做功为零例例 在匀强磁场在匀强磁场 B 中，长中，长 R 的铜棒绕其一端的铜棒绕其一端 O 在垂直于在垂直于 B 的的平面内转动，角速度为平面内转动，角速度为 OR求求 棒上的电动势棒上的电动势解解 方法一方法一：动生电动势动生电动势dl方向方向方法二方法二：法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律在在 dt 时间内导体棒切割磁场线时间内导体棒切割磁场线方向由楞次定律确定方向由楞次定律确定例例 在空间均匀的磁场中在空间均匀的磁场中 设设导线导线ab绕绕Z轴以轴以 匀速旋转匀速旋转导线导线ab与与Z轴夹角为轴夹角为 求求 导线导线ab中的电动势中的电动势解解 建坐标如图建坐标如图lO方向从方向从 a b例例 一圆形均匀刚性线圈，总电阻为一圆形均匀刚性线圈，总电阻为R，半径为半径为 r，在均匀，在均匀磁场磁场 B 中以中以 绕其轴绕其轴 OO 转动，转轴垂直于转动，转轴垂直于 B。当线圈。当线圈平面转至与平面转至与 B 平行时，试求：平行时，试求：解：解：由由Faraday Law，线圈总电动势，线圈总电动势 二二.感生电动势感生电动势实验证明：实验证明：当磁场变化时，静止导体中也出现感应电动势当磁场变化时，静止导体中也出现感应电动势仍是洛伦兹力充当非静电力？仍是洛伦兹力充当非静电力？电场力充当非静电力电场力充当非静电力1861年，年，J.C.Maxwell 提出：提出：当空间中的磁场随时间发生变化时，就在周围空间激起当空间中的磁场随时间发生变化时，就在周围空间激起感感应电场应电场，这感应电场作用于放置在空间的导体回路，在回，这感应电场作用于放置在空间的导体回路，在回路中产生路中产生感应电动势感应电动势，并形成，并形成感应电流感应电流感生电动势感生电动势闭合回路中闭合回路中感应电场感应电场