【大学物理】磁场.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,N,S,N,S,N,S,I,2.,安培的分子电流假说,(1822,年提出,),认为任何物质的分子都存在圆形电流,(,分子电流,),分子电流相当于一个基元磁铁,物质的磁性取决于物质中分子电流的取向。,电 流 的 磁 场,一,.,基本磁现象,1.,基本磁现象,第一节 磁场 磁感应强度,3.,磁现象的根源：,安培指出,:,一切磁现象起源于电荷的运动,(,电流,),。,I,1,I,2,磁场,1,磁场,2,4.,磁场物质性的主要表现,(,1),磁场对进入场中的运动电荷或载流导线有磁力的作用,(,2),载流导线在磁场中运动时,磁力将对载流导线作功,表明磁场具有能量,1.,平面载流线圈磁矩的定义,二,.,磁感应强度,I,线圈的法向与电流方向满足右手螺旋关系,I,I,(,对比,),2.,磁感应强度的定义,方向,:,与该点处试验线圈在稳定平衡位置时的正法向一致,载流线圈,受到的,磁,力矩总是力图使,线圈的磁矩,转到与外,磁,场一致的方向,。,1,特斯拉（,T,）,10,4,高斯（,GS,）,三,.,磁通量 磁场中的高斯定理,1.,磁力线的定义,:,磁,力线上任意一点的切向即为该点的 的方向,;,任意一点的,磁,力线的数密度即为该点的 的大小。,2.,磁力线的特点,A.,磁力线不会相交,;,B.,磁力线是无头无尾的闭合线,或两端伸向无限远。因此磁场是涡旋场,(,或无源场,);,C.,闭合磁力线与载流回路相互套连在一起,;,D.,磁力线方向与电流方向成右手螺旋法则。,3.,磁通量的定义,:,通过,磁,场中某一曲面的,磁,力线的条数，即为通过该曲面的,磁,通量。,（,与电通量类比,）,对闭合面来说，规定外法向为正方向。,四,.,磁场的高斯定理：,匀强磁场中通过一个平面的磁通量：,例,.,在磁感强度为的均匀磁场中作一半径为,r,的半球面,S,，,S,边线所在平面的法线方向单位矢量,与的夹角为,a,，,求通过半球面,S,的磁通量,(,取弯面向外为正,),1.,毕萨定律的表述：电流元 在空间 点,产生的磁场 为：,类比于点电荷元的电场强度,:),称为真空磁导率,五,.,毕萨定律,具体计算方法与电场强度的积分类似,2.,一段载流导线在空间一点产生的磁感应强度,I,q,S,v,dt,运动电荷的磁场为：,(q,为代数量,),3.,运 动 电 荷 的 磁 场,六,.,用毕萨定律求几种载流导线在空间所激发的磁场,1.,直线电流的磁场,解题思路,:,o,即,当,导线为无限长时,(,比较无限长均匀带电直线产生的电场,),2.,载流圆线圈在其轴上的磁场,(,圆,形,电流，在其 轴线上一点的磁场方向与电流方向满足右手螺旋法则,),*,两种特殊的情况：,圆电流环中心的场强,一段圆弧在圆心处的磁感应强度,:,L,例,1,求,O,点的,场强,o,I,R,例,2,：一电子以速率,V,作半径为,R,的圆周运动，求它在圆心处产生的场强,(,均沿,X,轴正向),统一变量,P,3.,密绕载流螺,线,管在其轴上的磁场,如图，求单位长度,上匝数为 的螺线,管在其轴线上一点,p,的磁场,.,X,R,半无限长载流螺线管在管端口处,:,无限长载流螺线管,:,R/2,R/2,O,例,:,半径为,R,的薄圆盘均匀带电,总电量为,Q,令此圆盘绕通过盘心且垂直于盘面的轴线匀速转动,角速度为,求,（,1,）,P,点的磁感应强度；,（,2,）圆盘的磁矩,(,北邮,P60),O,X,R,P,r,第二节 安培环路定理,一,.,安培环路定理的表述和简单推证,静电场,(a).,圆形积分回路：,磁 场,I,r,dl,2.,长直载流导线磁场的环流,1.,问题提出,(b).,任意积分回路,:,I,(c).,电流在回路之外,=,e,I,a,b,c,d,3.,安培环路定理表述,：,在磁场中，沿任何闭合回路，的线积分，等于穿过这回路的所有电流的,代数和,的 倍,(d).,推广,:,闭合回路可以是空间,任意,的,闭合曲线；,电流可以是,任意,的空间闭合电流,；,空间可以有任意个,闭合电流。,4,、对安培环路定理的说明,(a),公式适用条件,:,要求空间电流均为闭合电流,(b),电流的正、负号规定：,电流的,正,方向与,回路,的,环绕方向,服从右手螺旋关系,L,II,1,I,3,I,4,L,I,L,1,L,2,由,环路内,电流决定,由,环路内外,电流产生,环路所包围的电流代数和,二、安培环路定理的应用,1.,均匀无限长圆柱型载流直,导体的磁场分布,(,半径为,R,),补充电流密度概念,(,其中 为过场点在垂直于轴线平面内所做的同心圆包围的电流代数和,),(,类比于无限长均匀带电圆柱型分布所产生的电场,),O,圆柱面,长直圆柱面电流,R,长直圆柱体电流,O,圆柱体,实心（或空心）同轴电缆,I,I,（其方向与电流满足右手螺旋）,2.,长直螺线管电流内外任一点的磁场,3.,求载流螺绕环内外的磁场,总匝数为,N,，,通有电流强度为,I,（其磁场方向沿切向，与电流方向满足右手螺旋）,若环很细,例,1,：无限大导体板上均匀通电，电流面密度为 ，求空间,类比于,无限大均匀带电平面所产生的电场强度,a,b,例,2,：求宽为,b,的无限长电流,I,靠近中点附近的磁感应强度。,b,例,3,.,如图所示，一无限长载流平板宽度为,a,，,线电流密度,(,即沿,x,方向单位长度上的电流,),为,d,，,求与平板共面且距平板一边为,b,的任意点,P,的磁感强度,方向垂直纸面向里,例,4.,如图，求圆心处的磁感强度,O,R,I,B,1,B,2,B,园,例,5.,正三角形线框,a,c,边长,l,，,电阻均匀分布，与电源相连的长直导线,1,，,2,彼此平行，并分别与,a,，,b,点相接。导线,1,，,2,上的电流为,I,，,令长直导线,1,，,2,和导线框在线框中心,O,点产生的磁感应强度分别为,B,1,，,B,2,和,B,3,，则,O,点的磁感应强度大小为：,(A).,B,0,=0,B,1,=B,2,=B,3,=0,(B).,B,0,=0,B,1,+B,2,=0,，,B,3,=0,(C).,B,0,0,虽然,B,1,+B,2,=0,但,B,3,0,(D).,B,0,0,虽然,B,3,=0,但,B,1,+B,2,0,a,c,b,I,I,2,1,o,I,1,I,2,或,第三节 磁场对载流导线的作用,一,.,安培定律,1,、安培定律,2.,电流在,匀强磁场中,受到的安培力为,闭合电流在匀强磁场中受到的安培力为零,I,F=2I R B,I,F0,I,F=2I R B,例：,I,B,I,应用举例,安培秤（磁秤）可用来测量匀强磁场的磁感应强度,线圈底边受安培力,与新添加砝码的重力平衡,二,.,平行载流导线间相互作用力 电流单位“安培”的定义,(,自学）,已知,d,讨论：两电流元之间的安培力通常不满足牛顿第三定律。,两电流元平行且与它们的连线垂直时，它们之间的安培力满足牛顿第三定律。,三,.,磁场对载流线圈的作用,1,、在匀强磁场中的载流线圈,力偶矩,磁力矩 力图使得线圈的磁矩 转到与外磁场一致的方向上来。,合力,当恒定电流通过时,是游丝的扭转常量应用,电动机、磁电式仪表、磁电式电流计的工作原理,N,S,I,(2),、受 到 的 磁 力,2,、在,非匀强,磁场中的载流线圈,(1),、受到的磁力矩,载流线圈在非匀强磁场中一般向着场强数值增大的方向运动，只有处于非稳定平衡态时，才向场强数值减小方向运动。（同电偶极子在非匀强电场中的运动情况类似。）,例,1,.,如图，无限长直载流导线与正三角形载流线圈在同一平面内，若长直导线固定不动，则载流三角形线圈将,(,A),向着长直导线平移,(,B),离开长直导线平移,(C),转动,(D),不动,A,例,2,如图，在一固定的载流大平板附近有一载流小线框能自由转动或平动线框平面与大平板垂直大平板的电流与线框中电流方向如图所示，则通电线框的运动情况对着大平板看是：,（,A,）靠近大平板；,(B),顺时针转动,(,C),逆时针转动；,(,D),离开大平板向外运动,B,q,(q,为代数量,),第四节 磁场对运动电荷的作用,一,.,洛仑兹力,A,、,洛伦兹力不改变运动电荷速度的大小，只能改变电荷速度的方向，使路径发生弯曲,B,、,洛伦磁力永远不会对运动电荷作功。,洛仑兹力特征：,二,.,带电粒子在电场或磁场中的运动,（忽略重力作用）,+,1,、讨论几种简单而重要的情况,(1),、设有一匀强电场,m q,（类似于斜抛运动）,(2),、设有一匀强磁场 ，带电粒子以初速 进入磁场中运动,（粒子作匀速直线运动）,A.,与 平行时,B.,与 垂直时,粒子在垂直于磁场的平面内作匀速率圆周运动，洛仑兹力作为向心力,O,周期,取决于荷质比和磁场的大小，而,与速度无关,。,若为负电荷,粒子运动形成的电流的 与磁场 反向。,C.,与 成 角斜射时,（粒子作螺旋线运动）,螺距,2.,应用,（,1,）,磁聚焦,匀强,磁场能对从,P,点出发的,小角粒子束发生磁聚焦作用,h,B,P,P,它广泛应用于电真空器件中，如电子,显微镜中的磁透镜就是根据这个原理制作的,。,（,2,）,磁镜,粒子运动形成的电流的 与磁场 反向，故受到指向场强减弱方向的磁力作用,（,3,）,磁约束（磁瓶或磁塞）,用于现代受控热核反应中,高温等,离子体温度在：,地磁场对来自宇宙空间高能带电粒子的约束作用,范阿仑辐射带；,6000km,电子,400800km,质子，,1932,年劳伦斯研制第一台回旋加速器的,D,型室,.,此加速器可将质子和氘核加速到,1,MeV,的能量，为此,1939,年劳伦斯获诺贝尔物理学奖,.,（,4,）,回旋加速器,条件,：交变电场，恒定强磁场共同作用,原理,：电子在狭缝处被电场加速，盒内在磁场作用下作圆周运动，周期与速率无关,用途,：,获得高能粒子流,回旋加速器原理图,N,S,B,O,N,我国于,1994,年建成的第一台强流质子加速器，可产生数十种中短寿命放射性同位素,.,（,5,）,质谱仪,电场、磁场共同作用条件,：,用途,：分析同位素,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,+,-,速度选择器,照相底片,质谱仪的示意图,m，q,d,解题,思路：,上下方分别为匀强磁场,例：一无限大导体薄板上均匀通以面电流，面电流的密度为,i,，,在离板垂直距离为,d,处有一质量为,m,，,电量为,q,的带电粒子具有垂直指向板面的动量 ，则粒子能到达板面的初动量至少为多大？,霍耳系数,I,霍耳电压,+,+,+,+,-,三,.,霍耳效应（,1879,年）,测量磁感应强度,霍耳效应的应用,测量载流子浓度,测量半导体类型（,N,型或,P,型）,测量电路中的电流,磁流体发电,I,+,+,-,P,型半导体,+,-,+,-,N,型半导体,-,I,+,-,