大学物理稳恒磁场件.pptx

10-1磁场磁场 磁感应强度磁感应强度10.1.1基本磁现象基本磁现象1、自然磁现象、自然磁现象磁性：磁性：具有能吸引铁磁物质具有能吸引铁磁物质(Fe、Co、Ni）的一种特性。）的一种特性。磁体：磁体：具有磁性的物体具有磁性的物体磁极：磁极：磁性集中的区域磁性集中的区域地磁：地磁：地球是一个大磁体。地球是一个大磁体。磁极不能分离，（正负电荷可以分离开）磁极不能分离，（正负电荷可以分离开）第1页/共103页地核每地核每400年比年比地壳多转一周地壳多转一周地壳地壳地壳地壳地核地核地幔地幔N NS S地球的磁极每隔几地球的磁极每隔几千年会发生颠倒千年会发生颠倒第2页/共103页、磁现象起源于运动电荷磁现象起源于运动电荷I后来人们还发现磁电联系的例子有：后来人们还发现磁电联系的例子有：磁体对载流导线的作用；磁体对载流导线的作用；通电螺线管与条形磁铁相似；通电螺线管与条形磁铁相似；载流导线彼此间有磁相互作用；载流导线彼此间有磁相互作用；18191820年丹麦物理学家奥年丹麦物理学家奥斯特首先发现了电流的磁效应。斯特首先发现了电流的磁效应。1820年年4月，奥斯特做了一个实验，月，奥斯特做了一个实验，通电流的导线对磁针有作用，使磁通电流的导线对磁针有作用，使磁针在电流周围偏转。针在电流周围偏转。上述现象都深刻地说明了：上述现象都深刻地说明了：磁现象与运动电荷之间有着深刻的联系。磁现象与运动电荷之间有着深刻的联系。第3页/共103页安培的分子电流假说安培的分子电流假说、磁力、磁力近代分子电流的概念：近代分子电流的概念：轨道圆电流自旋圆电流分子电流轨道圆电流自旋圆电流分子电流 一切磁现象都起源于电流，任何物质的分子中都存在着环一切磁现象都起源于电流，任何物质的分子中都存在着环形电流（分子电流），每个分子电流就相当于一个基元磁体，形电流（分子电流），每个分子电流就相当于一个基元磁体，当这些分子电流作规则排列时，宏观上便显示出磁性。当这些分子电流作规则排列时，宏观上便显示出磁性。1822年安培提出了用分子电流来解释磁性起源。年安培提出了用分子电流来解释磁性起源。磁体与磁体间的作用；磁体与磁体间的作用；电流与磁体间的作用；电流与磁体间的作用；磁场与电流间的作用；磁场与电流间的作用；磁场与运动电荷间的作用；磁场与运动电荷间的作用；均称之为磁力。均称之为磁力。第4页/共103页1、磁场、磁场1）磁力的传递者是磁场）磁力的传递者是磁场2）磁场是由运动电荷所激发，参考系是观察者）磁场是由运动电荷所激发，参考系是观察者3）磁场对外的重要表现）磁场对外的重要表现电流电流(或磁铁或磁铁)磁场磁场电流电流(或磁铁或磁铁)静止电荷激发静电场静止电荷激发静电场运动电荷可同时激发电场和磁场。运动电荷可同时激发电场和磁场。(1)磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力的作用；磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力的作用；(2)载流导体在磁场中移动时，磁场的作用力对载流导体作载流导体在磁场中移动时，磁场的作用力对载流导体作 功，表明磁场具有能量。功，表明磁场具有能量。10.1.2磁感应强度磁感应强度磁场与电场一样、是客观存在的特殊形态的物质。磁场与电场一样、是客观存在的特殊形态的物质。第5页/共103页2、磁感应强度、磁感应强度1）磁矩：）磁矩：定义载流线圈的面积定义载流线圈的面积S 与线圈中的电流与线圈中的电流I 的乘的乘 积为磁矩积为磁矩(多匝线圈还要乘以多匝线圈还要乘以线圈匝数线圈匝数)，即，即 式中式中N 为线圈的匝数，为线圈的匝数，n0为线圈的法为线圈的法线方向，线方向，Pm与与I 组成右螺旋。组成右螺旋。2）磁场方向：）磁场方向：使线圈磁矩处于使线圈磁矩处于稳定平衡稳定平衡位位置时的磁矩的方向。置时的磁矩的方向。第6页/共103页3）磁感应强度的大小）磁感应强度的大小磁感应强度的单位磁感应强度的单位1特斯拉特斯拉104高斯（高斯（1T104GS）是试验线圈受到的最大磁力矩、是试验线圈受到的最大磁力矩、是试验线圈的磁矩。是试验线圈的磁矩。第7页/共103页1、磁力线、磁力线常见电流磁力线：直电流，圆电流，通电螺线管的磁力线。常见电流磁力线：直电流，圆电流，通电螺线管的磁力线。1）什么是磁力线？）什么是磁力线？I I2）磁力线特性）磁力线特性10.1.3磁通量磁通量 磁力线是环绕电流的闭合曲线，磁场是涡旋场。磁力线是环绕电流的闭合曲线，磁场是涡旋场。任何两条磁力线在空间不相交。任何两条磁力线在空间不相交。磁力线的环绕方向与电流方向之间遵守右螺旋法则。磁力线的环绕方向与电流方向之间遵守右螺旋法则。第8页/共103页 穿过磁场中某一曲面的磁力线总数，称为穿过该曲面的穿过磁场中某一曲面的磁力线总数，称为穿过该曲面的磁磁通量通量，用符号，用符号m表示。表示。2、磁通量、磁通量 q S 第9页/共103页10.1.4磁场中的高斯定理磁场中的高斯定理这说明这说明 i)磁力线是无头无尾的闭合曲线，磁力线是无头无尾的闭合曲线，ii)磁场是无源场，磁场无磁单极存在。磁场是无源场，磁场无磁单极存在。由于磁力线是无头无尾的闭合曲线，所以穿过任意闭合曲面由于磁力线是无头无尾的闭合曲线，所以穿过任意闭合曲面的总磁通量必为零。的总磁通量必为零。第10页/共103页1）电流元的方向：）电流元的方向：为线段中为线段中电流的方向。电流的方向。10.1.5毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律 若磁场中，电流元若磁场中，电流元 到某点到某点P的矢径为的矢径为 ，则电，则电流元在流元在P点产生的磁感应强度点产生的磁感应强度 的大小与的大小与 成正比，成正比，与与 经过小于经过小于 的角转到矢径的角转到矢径 的方向角的正弦的方向角的正弦成正比，与成正比，与 的平方成反比，其方向为的平方成反比，其方向为 的方的方向。向。第11页/共103页2）在（）在（SI）制中）制中P3）B的方向的方向 dB Idl与与r 组成的平面，且组成的平面，且 dB 与与 同向。同向。第12页/共103页 整个载流导体在整个载流导体在P点的磁感应强度则是电流元在点的磁感应强度则是电流元在P点产生点产生的的 dB之矢量和之矢量和电流元在电流元在P点产生的磁感应强度的矢量式为点产生的磁感应强度的矢量式为 第13页/共103页 由由Idlr 确定电流元在确定电流元在 P点的点的 dB的方向的方向 将将 d B向选定的坐标轴投影，然后分别求出向选定的坐标轴投影，然后分别求出10.1.6毕奥萨伐尔定律的应用毕奥萨伐尔定律的应用第14页/共103页1、载流直导线的磁场、载流直导线的磁场 解：取电流元解：取电流元Idl ，P点对电流元点对电流元的位矢为的位矢为r，电流元在，电流元在P点产生的磁点产生的磁感应强度大小为感应强度大小为 方向垂直纸面向里，且所有电流方向垂直纸面向里，且所有电流元在元在P点产生的磁感应强度的方向点产生的磁感应强度的方向相同，所以相同，所以 第15页/共103页设垂足为设垂足为o,电流元离电流元离o点为点为l，op长为长为a，r 与与a 夹角为夹角为则则第16页/共103页因为因为所以所以第17页/共103页长直电流的磁场长直电流的磁场 半长直电流的磁场半长直电流的磁场 半长直电流：垂足与电流的一端重合，而直电流的另一段是半长直电流：垂足与电流的一端重合，而直电流的另一段是无限长。无限长。第18页/共103页2、圆形电流轴线上的磁场、圆形电流轴线上的磁场解：解：I R 0 x dB/dBdBqdB/由于对称性由于对称性第19页/共103页所以所以即即第20页/共103页轴线上任一点轴线上任一点P的磁场的磁场 圆电流中心的磁场圆电流中心的磁场 圆电流的中心的圆电流的中心的 1/n 圆电流的中心的圆电流的中心的 第21页/共103页 10-2安培环路定理安培环路定理10.2.1安培环路定理安培环路定理在静电场中在静电场中 那么在稳恒磁场中那么在稳恒磁场中 1、安培环路定理、安培环路定理在真空中的稳恒电流磁场中，磁感应强度在真空中的稳恒电流磁场中，磁感应强度B沿任一闭合回路沿任一闭合回路L的线积分，等于穿过以的线积分，等于穿过以L为周界所围面积的电流的代数和的为周界所围面积的电流的代数和的0倍倍,即即B的环流不为零，说明磁场是非保守场，是有旋场。的环流不为零，说明磁场是非保守场，是有旋场。第22页/共103页 在垂直于导线的平面上任取一包围电流的闭合曲线在垂直于导线的平面上任取一包围电流的闭合曲线 L、在无限长直线电流磁场情况下验证安培环路定理、在无限长直线电流磁场情况下验证安培环路定理 俯视放大图俯视放大图I第23页/共103页 当回路不包围电流时用同样方法可以证明，当回路不包围电流时用同样方法可以证明，B在该回路上的线在该回路上的线积分为零。积分为零。可见，线积分与回路包围的电流有关，与回路的形状无关。可见，线积分与回路包围的电流有关，与回路的形状无关。第24页/共103页（1）电流正、负号的规定：）电流正、负号的规定：I与与L成右螺旋为正，反之为负成右螺旋为正，反之为负 右图，右图，I1与与L的绕向成右螺旋关系取的绕向成右螺旋关系取正号、正号、I2、I3与与L的绕向成左螺旋关系的绕向成左螺旋关系取负号，取负号，I4、I5没有穿过没有穿过L、对、对B的环的环路积分没有贡献。路积分没有贡献。I0ILI第25页/共103页（2）正确理解安培环路定律应注意的两点：）正确理解安培环路定律应注意的两点：安培环流定律只是说安培环流定律只是说B的线积分值只与穿过回路的线积分值只与穿过回路的电流有关，而回路上各点的的电流有关，而回路上各点的B值则与所有在场电值则与所有在场电流有关。流有关。如果没有电流穿过某积分回路，只能说在该回如果没有电流穿过某积分回路，只能说在该回路上路上B的线积分为零，而回路上各点的的线积分为零，而回路上各点的B值不一定为值不一定为零。零。第26页/共103页10.2.2安培环路定理的应用安培环路定理的应用利用安培环流定理可以求某些具有特殊对称性的电利用安培环流定理可以求某些具有特殊对称性的电流分布流分布的磁场。的磁场。（1）首先要分析磁场分布的对称性；）首先要分析磁场分布的对称性；（2）选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线）选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上上B为常数，或者使某一段积分线路上为常数，或者使某一段积分线路上B处处与处处与dl 垂垂直；直；（3）利用利用求求B。第27页/共103页1、长直载流螺线管内的磁场分布、长直载流螺线管内的磁场分布解：由对称性知，内部磁力线平行于轴线，是一均匀场。因解：由对称性知，内部磁力线平行于轴线，是一均匀场。因 为螺线管是密绕的，没有漏磁；所以：为螺线管是密绕的，没有漏磁；所以：螺线管外部靠近螺线管外部靠近 中央部分的磁感应强度为零。中央部分的磁感应强度为零。取矩形闭合回路取矩形闭合回路abcd，按图中规定的回路绕向积分，则有按图中规定的回路绕向积分，则有 第28页/共103页线圈单位长度上的匝数为线圈单位长度上的匝数为n,则则所以所以第29页/共103页2、环形载流螺线管内的磁场分布、环形载流螺线管内的磁场分布均匀密绕在环形管上的线圈形成环形螺线管，称均匀密绕在环形管上的线圈形成环形螺线管，称为螺绕环为螺绕环.当线圈密绕时，可认为磁场几乎全部当线圈密绕时，可认为磁场几乎全部集中在管内，管内的磁力线都是同心圆集中在管内，管内的磁力线都是同心圆.在同一在同一条磁力线上，条磁力线上，B的大小相等，方向就是该圆形磁的大小相等，方向就是该圆形磁力线的切线方向力线的切线方向.计算管内任一点计算管内任一点P的磁感应强度的磁感应强度.在环形螺线管内在环形螺线管内取过取过P点的磁力线点的磁力线L作为闭合回路，则有作为闭合回路，则有式中式中L是闭合回路的长度是闭合回路的长度.第30页/共103页设环形螺线管共有设环形螺线管共有N匝线圈，每匝线圈的电流为匝线圈，每匝线圈的电流为I，则闭合，则闭合回路回路L所包围的电流强度的代数和为所包围的电流强度的代数和为NI.由安培环路定理，由安培环路定理，得得即即当环形螺线管截面的直径比闭合回路当环形螺线管截面的直径比闭合回路L的长度小很多时，的长度小很多时，管内的磁场可近似地认为是均匀的，管内的磁场可近似地认为是均匀的，L可认为是环形螺线可认为是环形螺线管的平均长度管的平均长度.所以所以即为单位长度上的线圈匝数，因即为单位长度上的线圈匝数，因此此第31页/共103页设载流导体为一设载流导体为一“无限长无限长”直圆柱形导体，半径为直圆柱形导体，半径为R，电流，电流I均匀地分布在导体的横截面上，如图均匀地分布在导体的横截面上，如图9.20(a)所示所示.显然，场源显然，场源电流对中心轴线分布对称，因此，其产生的磁场对柱体中心电流对中心轴线分布对称，因此，其产生的磁场对柱体中心轴线也有对称性，磁力线是一组分布在垂直于轴线的平面上轴线也有对称性，磁力线是一组分布在垂直于轴线的平面上并以轴线为中心的同心圆并以轴线为中心的同心圆.与圆柱轴线等距离处的磁感应强度与圆柱轴线等距离处的磁感应强度B的大小相等，方向与电流构成右手螺旋关系的大小相等，方向与电流构成右手螺旋关系.3、“无限长无限长”载流圆柱导体内外磁场的分布载流圆柱导体内外磁场的分布图图9.209.20“无限长无限长”圆柱电流的磁场圆柱电流的磁场现在计算圆柱体外任一点现在计算圆柱体外任一点P的磁感应强度的磁感应强度.设点设点P与与轴线的距离为轴线的距离为r，过，过P点沿点沿磁力线方向作圆形回路磁力线方向作圆形回路L，则，则B沿此回路的环流为沿此回路的环流为第32页/共103页上式说明，上式说明，“无限长无限长”载流圆柱体外的磁场与载流圆柱体外的磁场与“无限长无限长”载流载流直导线产生的磁场相同直导线产生的磁场相同.圆柱体内任一点圆柱体内任一点Q的磁场的磁场:第33页/共103页10.3.1安培定律安培定律在在SI制中制中 k=110-3磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用 一段电流元一段电流元Idl在磁场中所受的力在磁场中所受的力dF，其大小与电，其大小与电流元流元Idl成正比，与电流元所在处的磁感应强度成正比，与电流元所在处的磁感应强度B成正成正比，与电流元比，与电流元Idl和和B的夹角的正弦成正比，即的夹角的正弦成正比，即 dF的方向：右螺旋法则的方向：右螺旋法则与与方向相同方向相同即即第34页/共103页F垂直纸面向内垂直纸面向内I与与B垂直、垂直、F最大最大I与与B平行、平行、F为零为零安培定律的积分形式安培定律的积分形式 这是矢量积分。一般情况下把它们分解到不同方向上，求每这是矢量积分。一般情况下把它们分解到不同方向上，求每一方向的分力，最后再求总的合力。如一方向的分力，最后再求总的合力。如 第35页/共103页I1I2aCD10.3.2无限长两平行载流直导线间的相互作用力无限长两平行载流直导线间的相互作用力电流单位电流单位“安培安培”的定义的定义 如图、导线如图、导线C和和D载有方向相同的电流，载有方向相同的电流，C、D两导线的距离为两导线的距离为a 则则D上的电流元上的电流元I2dl2 受受C的电的电流磁场流磁场B1的作用力的作用力df2垂直于导垂直于导线线D，方向指向，方向指向Cdf2的大小为的大小为导线上单位长度受力大小为导线上单位长度受力大小为 B1df2I2dl2I1dl1df1B2第36页/共103页同理，导线同理，导线C上单位长度受力大小为：上单位长度受力大小为：方向指向导线方向指向导线D。由此可见，两导线电流方向相同时互相吸引，电流由此可见，两导线电流方向相同时互相吸引，电流方向相反时互相排斥。方向相反时互相排斥。单位长度载流导线所受力为单位长度载流导线所受力为 第37页/共103页“安培安培”的定义的定义因真空中两平行长直导线电流之间单位长度所受安因真空中两平行长直导线电流之间单位长度所受安培力的大小培力的大小 规定：放在真空中两条无限长的载流平行导线通有规定：放在真空中两条无限长的载流平行导线通有相等的稳恒电流，当两导线相距一米、每一根导线相等的稳恒电流，当两导线相距一米、每一根导线每一米长度受力每一米长度受力210-7牛顿时，每根导线上的电流为牛顿时，每根导线上的电流为一安培。即一安培。即第38页/共103页例载有电流例载有电流I1的长直导线旁边有一与长直导线垂直的长直导线旁边有一与长直导线垂直的共面导线，载有电流的共面导线，载有电流I2.其长度为其长度为l，近端与长直导，近端与长直导线的距离为线的距离为d，如图，如图9.25所示所示.求求I1作用在作用在l上的力上的力.解在解在l上取上取dl，它与长直导线距离为，它与长直导线距离为r，电流，电流I1在此在此处产生的磁场方向垂直向内、大小为处产生的磁场方向垂直向内、大小为dl受力受力第39页/共103页方向垂直导线方向垂直导线l向上，大小为向上，大小为所以，所以，I1作用在作用在l上的力方向垂直导线上的力方向垂直导线l向上，大小为向上，大小为第40页/共103页1、均匀磁场对载流线圈的作用、均匀磁场对载流线圈的作用10.3.3磁场对载流线圈的作用磁场对载流线圈的作用如图所示，设在磁感应强度为如图所示，设在磁感应强度为B的均匀磁场中，有一刚性的均匀磁场中，有一刚性矩形线圈，线圈的边长分别为矩形线圈，线圈的边长分别为l1、l2，电流强度为，电流强度为I.当线圈当线圈磁矩的方向磁矩的方向n与磁场与磁场B的方向成的方向成角角(线圈平面与磁场的方向线圈平面与磁场的方向成成角，角，)时，由安培定律，导线时，由安培定律，导线bc和和da所受的安所受的安培力分别为培力分别为第41页/共103页这两个力在同一直线上，大小相等而方向相反，其这两个力在同一直线上，大小相等而方向相反，其合力为零合力为零.而导线而导线ab和和cd都与磁场垂直，它们所受的都与磁场垂直，它们所受的安培力分别为安培力分别为F2和和F2，其大小为，其大小为如图如图9.26(b)所示，所示，F2和和F2大小相等，方向相反，但大小相等，方向相反，但不在同一直线上，形成一力偶不在同一直线上，形成一力偶.因此，载流线圈所受因此，载流线圈所受的磁力矩为的磁力矩为式中式中Sl1l2表示线圈平面的面积表示线圈平面的面积.第42页/共103页如果线圈有如果线圈有N匝，那么线圈所受磁力矩的大小为匝，那么线圈所受磁力矩的大小为 式中式中PmNIS就是线圈磁矩的大小就是线圈磁矩的大小.磁矩是矢量，用磁矩是矢量，用Pm表示，所以写成矢量式为表示，所以写成矢量式为M的方向与的方向与PmB的方向一致的方向一致.第43页/共103页M0 稳定平衡稳定平衡 M0 非稳定平衡非稳定平衡 磁感应强度的大小磁感应强度的大小磁场方向：磁场方向：使线圈磁矩使线圈磁矩处于处于稳稳定平衡定平衡位置时的位置时的磁矩的方向磁矩的方向B+PmB+Pm第44页/共103页例载有电流例载有电流I的半圆形闭合线圈，半径为的半圆形闭合线圈，半径为R，放在，放在均匀的外磁场均匀的外磁场B中，中，B的方向与线圈平面平行，如图的方向与线圈平面平行，如图9.30所示所示.(1)求此时线圈所受的力矩大小和方向；求此时线圈所受的力矩大小和方向；(2)求在这力矩作用下，当线圈平面转到与磁场求在这力矩作用下，当线圈平面转到与磁场B垂直的垂直的位置时，磁力矩所做的功位置时，磁力矩所做的功.图图9.30解解(1)线圈的磁矩线圈的磁矩在图示位置时，线圈磁矩在图示位置时，线圈磁矩Pm的方的方向与向与B垂直垂直.第45页/共103页图示位置线圈所受磁力矩的大小为图示位置线圈所受磁力矩的大小为磁力矩磁力矩M的方向由的方向由PmB确定，为垂直于确定，为垂直于B的方向向上的方向向上.也可以用积分计算也可以用积分计算(2)计算磁力矩做功计算磁力矩做功.第46页/共103页10-4磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用10.4.1洛仑兹力洛仑兹力1、安培力的微观本质、安培力的微观本质 安培力是运动电荷受到的磁场力的集体宏观表现。安培力是运动电荷受到的磁场力的集体宏观表现。金属中的自由电子受到磁场力作用不断地与晶格金属中的自由电子受到磁场力作用不断地与晶格发生碰撞发生碰撞,把动量传递给导体把动量传递给导体,从宏观来看从宏观来看,这就是安这就是安培力。培力。第47页/共103页2、洛仑兹力公式、洛仑兹力公式 安培定律安培定律从微观看从微观看,电流为电流为 第48页/共103页所以所以电流元中带电粒子数电流元中带电粒子数 因此因此,每个运动电荷所受磁力为每个运动电荷所受磁力为 即洛仑兹力公式为即洛仑兹力公式为 f v 和和B所组成的平面所组成的平面,即即 f恒恒v,故故洛仑兹力对洛仑兹力对运动电荷不做功。运动电荷不做功。第49页/共103页ff在磁场方向和运动方向都相同时，正、负电荷在磁场方向和运动方向都相同时，正、负电荷受力方向不同受力方向不同第50页/共103页如果带电粒子在同时存在电场和磁场的空间运动如果带电粒子在同时存在电场和磁场的空间运动时，则其所受合力为时，则其所受合力为上式称为上式称为洛仑兹关系式洛仑兹关系式，它包含：电场力，它包含：电场力qE与磁与磁场力场力(洛仑兹力洛仑兹力)qvB两部分两部分.第51页/共103页10.4.2带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动1、粒子速度、粒子速度 v0 B带电粒子以初速带电粒子以初速v平行于平行于B进入磁场进入磁场 此时带电粒子在磁场中仍然作匀速直线运动。此时带电粒子在磁场中仍然作匀速直线运动。第52页/共103页2、粒子速度、粒子速度vB f v带电粒子在垂直于带电粒子在垂直于B的平面的平面内作匀速圆周运动，即有内作匀速圆周运动，即有 回转半径回转半径 回转周期回转周期 回转频率回转频率 T、与速度无关与速度无关第53页/共103页3、粒子速度、粒子速度v与与B斜交斜交 这时带电粒子在磁场中参与两种运动：以这时带电粒子在磁场中参与两种运动：以v速率在速率在垂直垂直B的平面内作匀速圆周运动；以的平面内作匀速圆周运动；以v速率在平行速率在平行B的的方向作匀速直线运动。即为螺旋线运动方向作匀速直线运动。即为螺旋线运动,若若第54页/共103页回转半径回转半径 回转周期回转周期 螺距螺距 这说明当同一种带电粒子以任意角度进入均匀磁这说明当同一种带电粒子以任意角度进入均匀磁场时，只要场时，只要v相同，那么就有相同的螺距，而与相同，那么就有相同的螺距，而与v无关。利用这一点可对带电粒子流进行磁聚焦，其无关。利用这一点可对带电粒子流进行磁聚焦，其在电子光学中有广泛的应用。在电子光学中有广泛的应用。第55页/共103页1、霍耳效应、霍耳效应实验证明：霍耳电势差实验证明：霍耳电势差 10.4.3霍耳效应霍耳效应1897年，霍耳在实验中发现：年，霍耳在实验中发现：当有电流当有电流I沿着垂直于沿着垂直于B的方向通过导体时，在金属板上下两表面的方向通过导体时，在金属板上下两表面M，N之间之间就会出现横向电势差就会出现横向电势差UH.这就是霍耳效应。这就是霍耳效应。第56页/共103页式中式中RH 称作霍耳系数称作霍耳系数 式中式中d为导体块顺着磁场方向的厚度。为导体块顺着磁场方向的厚度。实验表明：实验表明：U与导体块的宽度与导体块的宽度b无关。无关。、霍耳系数的微观解释、霍耳系数的微观解释设在导体内载流子的电量为设在导体内载流子的电量为q，平均定向运动速度为，平均定向运动速度为v，它在磁场中所受的洛仑兹力大小为，它在磁场中所受的洛仑兹力大小为第57页/共103页如果导体板的宽度为如果导体板的宽度为b，当导体上、下两表面间的电，当导体上、下两表面间的电势差为势差为UMUN时，带电粒子所受的电场力大小为时，带电粒子所受的电场力大小为由平衡条件有由平衡条件有则导体上、下两表面间的电势差为则导体上、下两表面间的电势差为第58页/共103页设导体内载流子数密度为设导体内载流子数密度为n，于是，于是Inqvbd，以此代，以此代入上式可得入上式可得将上式与式将上式与式(9.43)比较，得霍耳系数比较，得霍耳系数第59页/共103页说明说明RH与载流子浓度与载流子浓度n成反比：成反比：在金属导体中，载流子浓度很高，故在金属导体中，载流子浓度很高，故RH，UH 在半导体中载流子浓度较低，在半导体中载流子浓度较低，RH，UH 即即在半导体中霍耳效应比金属中显著。在半导体中霍耳效应比金属中显著。载流子数浓度与单位体积内的原子数是两码事，载流子数浓度与单位体积内的原子数是两码事，不同金属有不同的自由电子数不同金属有不同的自由电子数 第60页/共103页 利用霍耳系数的正、负可判断半导体的类型。利用霍耳系数的正、负可判断半导体的类型。若若RH0 ，为，为P型型半导体半导体若若RH0，为，为n 型半导体。型半导体。大多数金属的霍耳效应为负数，但有一些金属，大多数金属的霍耳效应为负数，但有一些金属，如如Zn,Cs(铯）铯）,Pb,Fe等，它们的等，它们的RH为正值，对这种为正值，对这种现象只能用量子力学加以说明。现象只能用量子力学加以说明。第61页/共103页 10-6磁介质磁介质10.6.1磁介质的分类磁介质的分类物质受到磁场的作用产生磁性的现象叫磁化。物质受到磁场的作用产生磁性的现象叫磁化。1、物质的磁化、物质的磁化 设物质在磁场设物质在磁场B0作用下产生磁场作用下产生磁场B/，则空间，则空间总磁场总磁场 第62页/共103页相对磁导率相对磁导率为磁介质的磁导率为磁介质的磁导率 介质中，总的磁感应强度与真空中的磁感应强度之比，介质中，总的磁感应强度与真空中的磁感应强度之比，定义为该磁介质的相对磁导率定义为该磁介质的相对磁导率 第63页/共103页与电介质的类比与电介质的类比 所所不不同同的的是是E/总总是是与与E0反反向向，而而B/则则有有可可能能与与B0 反反向向，也也可可能能与与B0同同向向，且且不不同同的的介介质质其其B/的的大大小小差差异很大。根据异很大。根据B/的方向及大小将磁介质分类为：的方向及大小将磁介质分类为：第64页/共103页2、三类磁介质、三类磁介质顺磁质顺磁质-均匀磁介质中均匀磁介质中B/与与B0同方向、则同方向、则BB0，相，相对磁导率对磁导率 如锰、镉、铝等。如锰、镉、铝等。抗磁质抗磁质-均匀磁介质中均匀磁介质中B/与与B0反方向、则反方向、则BB0，r很大且不是常数、具有所谓很大且不是常数、具有所谓“磁滞磁滞”现象的一类磁介质。现象的一类磁介质。如铁、钴、镍及其合金如铁、钴、镍及其合金等。等。但在上述两类磁介质中但在上述两类磁介质中B/附加磁矩附加磁矩 Pm（相差两个（相差两个数量级）数量级）,Pm可以忽略不计可以忽略不计,所以所以,此时的磁化主要是此时的磁化主要是外磁场外磁场B0使使Pm转向效应。转向效应。第71页/共103页第72页/共103页令令 为磁场强度为磁场强度 单位：单位：A/m对任意闭合回路进行对任意闭合回路进行B的积分的积分10.6.4磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理第73页/共103页即：即：H沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面沿任一闭合回路的环流等于穿过该回路所围面积的传导电流之代数和积的传导电流之代数和上式即为有磁介质时的安培环路定理。上式即为有磁介质时的安培环路定理。得得s是回路是回路l围出的面积，围出的面积，I 是穿过是穿过s的传导电流的代数的传导电流的代数和和。第74页/共103页10.6.5B与与H的关系的关系实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，有实验表明，在均匀各向同性的弱磁介质中，有其中其中m称为磁介质的磁化率，只与磁介质的性质称为磁介质的磁化率，只与磁介质的性质有关。有关。上式代入上式代入 整理得整理得第75页/共103页称为磁介质的相对磁导率；称为磁介质的相对磁导率；即在弱磁介质中，有即在弱磁介质中，有为磁介质的磁导率为磁介质的磁导率第76页/共103页 利用利用 可以方便地求有磁介质时某些对称的磁场分布。可以方便地求有磁介质时某些对称的磁场分布。、选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上、选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上H为常数，为常数，或使某一段积分线路上或使某一段积分线路上H处处与处处与dl 垂直；垂直；3、先由、先由求求H，再由，再由 求求B。其基本步骤如下：其基本步骤如下：、首先要分析磁场分布的对称性或均匀性；、首先要分析磁场分布的对称性或均匀性；在铁磁质中，则为在铁磁质中，则为第77页/共103页、密绕长直螺线管内充满介质的磁感应强度、密绕长直螺线管内充满介质的磁感应强度：、环形螺线管内部充满介质的磁感应强度：、环形螺线管内部充满介质的磁感应强度：、无限长的载流圆柱体外充满介质的磁场：、无限长的载流圆柱体外充满介质的磁场：内部为内部为外部为外部为第78页/共103页例一根例一根“无限长无限长”的直圆柱形铜导线，的直圆柱形铜导线，外包一层相对磁导率为外包一层相对磁导率为r的圆筒形磁介质，的圆筒形磁介质，导线半径为导线半径为R1，磁介质的外半径为，磁介质的外半径为R2，导，导线内有电流线内有电流I通过，电流均匀分布在横截通过，电流均匀分布在横截面上，如图面上，如图9.41所示，求：所示，求：(1)介质内外的磁场强度分布，并画出介质内外的磁场强度分布，并画出H-r图，加以说明图，加以说明(r是磁场中某点到圆柱轴线是磁场中某点到圆柱轴线的距离的距离)；(2)介质内外的磁感应强度分布，并画出介质内外的磁感应强度分布，并画出B-r图，加以图，加以说明说明.第79页/共103页解解(1)求求H-r关系由于电流分布的轴对称性，因关系由于电流分布的轴对称性，因而磁场分布也有轴对称性，因此可用安培环路定理而磁场分布也有轴对称性，因此可用安培环路定理求解求解.在垂直于轴线的平面上，选择积分回路在垂直于轴线的平面上，选择积分回路L为以为以圆柱轴线为圆心、圆柱轴线为圆心、r为半径的圆周，由式为半径的圆周，由式(9.60)可得可得当当rR1时，时，第80页/共103页当当R1rR2时，时，当当rR2时，时，画出画出H-r曲线，如图曲线，如图9.42(a)所示所示.图图9.42第81页/共103页(2)求求B-r关系由已求出的介质内外的磁场强度分关系由已求出的介质内外的磁场强度分布，再根据布，再根据BH0rH确定介质内外的磁感应强确定介质内外的磁感应强度分布度分布.当当rR1，该区域在金属导体内，可作为真空处理，该区域在金属导体内，可作为真空处理，r1，故，故当当R1rR2，该区域是相对磁导率为，该区域是相对磁导率为r的磁介质内，的磁介质内，故故第82页/共103页当当rR2，该区域为真空，故，该区域为真空，故画出画出B-r曲线，如图曲线，如图9.42(b)所示所示.可见，在边界可见，在边界rR1和和rR2处，磁感应强度处，磁感应强度B不连续不连续.第83页/共103页 铁磁质具有高磁导率、非线性（铁磁质具有高磁导率、非线性（不是常数）；存在不是常数）；存在“磁滞现象磁滞现象”；存在居里温度等三个显著特征。；存在居里温度等三个显著特征。10.6.6铁磁质铁磁质1）r1（即（即BB0）且）且r不是常数：不是常数：而是而是H（亦即电流（亦即电流I）的函数，即）的函数，即r=r H)=r H(I)。因此，这时因此，这时B与与H间无简单线性关系也就是说，此时间无简单线性关系也就是说，此时B 0 rH不成立，而只有成立。不成立，而只有成立。第84页/共103页2）存在）存在“磁滞现象磁滞现象”(如如:在外场撤除后有剩磁在外场撤除后有剩磁)：）居里温度：）居里温度：对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里对应于每一种铁磁物质都有一个临界温度（居里点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。点），超过这个温度，铁磁物质就变成了顺磁物质。如铁的居里温度为如铁的居里温度为1034K。第85页/共103页1、磁化曲线、磁化曲线1）研究铁磁质特性的实验：）研究铁磁质特性的实验：原理原理-铁心中铁心中装置装置-原线圈原线圈A（待测铁磁质（待测铁磁质做铁心做铁心）副线圈副线圈B。ABGke第86页/共103页H是电流为是电流为I 时，铁心时，铁心中的磁场强度；中的磁场强度；B是电流为电流为I 时，铁心中的磁感应强度；时，铁心中的磁感应强度；q是电流从是电流从0到到I时、通过电流计时、通过电流计G的电量；的电量；R是副线圈的电阻；是副线圈的电阻；N是副线圈的总匝数；是副线圈的总匝数；S为环形铁心的横截面积。为环形铁心的横截面积。第87页/共103页2）起始磁化特性曲线：）起始磁化特性曲线：即，即，B与与H不成线性关系，即铁磁质的磁导率不成线性关系，即铁磁质的磁导率不再不再是常数、而是与是常数、而是与H有关。有关。在在B-H曲线（磁化规律）中曲线（磁化规律）中 Om段段-B随随H增长增长较慢；较慢；mn段段-B随随H 迅速增长；迅速增长；na段段-B随随H增长变慢；增长变慢；当当H=s以后，以后，B不随不随H 增长，增长，磁化达到饱和。磁化达到饱和。0BHsHanmmB第88页/共103页不同磁介质的磁化曲线比较不同磁介质的磁化曲线比较抗磁介质抗磁介质铁磁介质铁磁介质顺磁介质顺磁介质Bo第89页/共103页2、磁滞回线、磁滞回线B 不是不是H 的的单值函数，与以前的磁化单值函数，与以前的磁化“历史历史”有关；有关；起始磁化曲线起始磁化曲线Oa不可逆，不可逆，当改变当改变H的方向和大小时、的方向和大小时、可得可得B-H曲线如图，叫曲线如图，叫磁磁滞回线滞回线。从曲线可知：。从曲线可知：第90页/共103页（1）剩磁）剩磁Br：磁化曲线下降时的磁化曲线下降时的B值比起始磁化曲线中同一值比起始磁化曲线中同一H 所所对应的对应的B 值为高，当值为高，当H 减少到零时，减少到零时，B不为零，而出不为零，而出现一个剩磁现一个剩磁 Br。（2）矫顽力）矫顽力HC要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，只有反向要使磁铁完全去磁，必须加上反向外场，只有反向外场外场HC到某一值才能完全去磁，到某一值才能完全去磁，为去掉剩磁而加上的反向磁场为去掉剩磁而加上的反向磁场HC 就称为矫顽力。就称为矫顽力。第91页/共103页（4）磁滞损耗：磁滞损耗：可以证明可以证明：B-H 曲线所围的面积等于反复磁化的一曲线所围的面积等于反复磁化的一个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。个周期中单位体积的磁介质中损耗的能量。（3）磁滞回线：）磁滞回线：如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，并达到反如果继续加大反向磁场，将其反向磁化，并达到反向饱和，若这时逐渐撤除反向外场向饱和，若这时逐渐撤除反向外场,其同样出现反向其同样出现反向剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正剩磁，要去掉反向剩磁则必须加上正向矫顽力；再正向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭向磁化，其又可达正向饱和，这样就组成了一个封闭曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。曲线，这个封闭曲线就叫磁滞回线。改变改变H时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度时、磁介质反复磁化，分子振动加剧、温度升高，产生升高，产生H的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。的电流提供的热损耗称为磁滞损耗。第92页/共103页3、磁畴、磁畴1）磁畴）磁畴即即铁磁质中铁磁质中原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小原子磁矩自发高度有序排列的磁饱和小区。区。第93页/共103页 磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约磁畴的几何线度从微米至毫米、体积约10-12m3，包含包含10171021个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排个原子。无外磁场时、磁畴的磁矩排列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。列杂乱无章，铁磁质宏观不显磁性。量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交量子理论指出：铁磁质中相邻原子由于电子轨道的交叠而产生一种叠而产生一种“交换耦合效应交换耦合效应”使使原子磁矩能自发地原子磁矩能自发地有序排列，有序排列，于是于是形成坚固的平行排列的大小不等的形成坚固的平行排列的大小不等的自自发饱和磁化区。发饱和磁化区。第94页/共103页2）铁磁质磁化解释）铁磁质磁化解释：磁饱和：磁饱和：加上外场后，铁磁质中总