大学物理电流与磁场.pptx

主要任务：主要任务：研究相对于观察者运动的电荷研究相对于观察者运动的电荷在空间激发的场在空间激发的场磁场的规律磁场的规律。7-1 恒定电流和恒定电流和恒定电场恒定电场 电动势电动势一、形成电流的条件一、形成电流的条件 1.大量电荷有规则的大量电荷有规则的定向移动形成电流。定向移动形成电流。电流的种类：电流的种类：传导电流：传导电流：自由电子、正负离子、电子自由电子、正负离子、电子 空穴对等空穴对等位移电流：位移电流：携带电荷并形成电流的带电粒子，称携带电荷并形成电流的带电粒子，称为为载流子载流子。金属内的载流子是。金属内的载流子是电子电子。电解。电解质溶液中的载流子是质溶液中的载流子是正负离子正负离子。2.导体中形成电流的条导体中形成电流的条件：件：(1)有可以移动的电荷；有可以移动的电荷；(2)有维持电荷作定向有维持电荷作定向移动的电场。移动的电场。3、电、电流的定义流的定义 单位时间内通过导体任一截面的电量单位时间内通过导体任一截面的电量为电流强度。为电流强度。电流强度随时间而变化电流强度随时间而变化(例如交流电例如交流电)，可用瞬时电流强度来表示，可用瞬时电流强度来表示 在在SI中中，规规定定电电流流强强度度为为基基本本量量，1s内内通通过过导导体体任任一一截截面面的的电电荷荷为为1C的的电电流流强度称为强度称为1A，即，即单位：安培单位：安培(A)二、恒定电流与恒定电二、恒定电流与恒定电场场1.恒定电流恒定电流 恒定电流恒定电流电流分布不随时间变化电流分布不随时间变化2.恒定电场恒定电场恒定电场恒定电场维持恒定电流所需的电场，维持恒定电流所需的电场，其分布不随时间变化。其分布不随时间变化。静电场与恒定电场比较静电场与恒定电场比较不同不同相同相同静静电电场场恒恒定定电电场场导体内导体内一经建立不需能一经建立不需能量维持量维持导体内导体内分布不变分布不变其其存存在在一一定定伴伴随随能量转换能量转换 分布不随分布不随时间变化时间变化高斯定理高斯定理 有源性有源性环路定理环路定理 保守性保守性均适用均适用三、电流与电流密度三、电流与电流密度1.电流密度矢量电流密度矢量大大小小：通通过过与与该该点点 垂垂直直的的单单位位截截面面的的电电流。流。方向：方向：与与+q的漂移运动方向，的漂移运动方向，方向相同。方向相同。单位：单位：安安 米米-2(A m-2)通过一个有限截面通过一个有限截面 S的的电流强度为电流强度为2.电流的连续性方程电流的连续性方程形象描述电流分布，形象描述电流分布，电流密度矢量线。电流密度矢量线。曲曲线线上上每每一一点点的的切切线线方方向向为为 的的方方向向，曲曲线线的疏密表示它的大小。的疏密表示它的大小。(1)电流线电流线 在电流场中选一闭合曲面在电流场中选一闭合曲面S，单位单位时间内从时间内从S面面内流出的电荷量为内流出的电荷量为(2)电流的连续性方程电流的连续性方程 据电荷守恒定律，据电荷守恒定律，电流密度矢量的通电流密度矢量的通量等于该面内电荷减少的速率量等于该面内电荷减少的速率.当电荷分布不随时间变化当电荷分布不随时间变化(电场不变电场不变)时，电流将达到稳恒。时，电流将达到稳恒。(3)恒定电流恒定电流说明说明:1o 在没有分支的恒定电路中，通过各截面在没有分支的恒定电路中，通过各截面的电流必定相等；而且恒定电路必定是闭的电流必定相等；而且恒定电路必定是闭合的。合的。2o恒恒定定电电流流情情况况下下的的电电荷荷分分布布(净净电电荷荷的的宏宏观观分分布布不不随随时时间间改改变变)所所激激发发的的恒恒定定电电场场与与静电场服从同样的基本规律。静电场服从同样的基本规律。四、电源及电源电动势四、电源及电源电动势问题：能否形成恒定电流？问题：能否形成恒定电流？非静电力做功，不断的将正电非静电力做功，不断的将正电荷从低电位移到高电位的装置荷从低电位移到高电位的装置+带正电导体带正电导体带负电导体带负电导体连接导线连接导线+-电源电源维持外电路两端的电势差维持外电路两端的电势差形成恒定电流形成恒定电流1、电源：电源：符号：符号：2、电源电动势电源电动势 把把单单位位正正电电荷荷经经电电源源内内部部从从负负极极移移到到正正极极，非非静静电电力力所所作作的的功。功。描描述述电电源源做做功功的的本领的本领的物理量物理量设电荷设电荷q在电源内受非静电力在电源内受非静电力则，电源内部的非静电场强为：则，电源内部的非静电场强为：方向：经电源内方向：经电源内部由负极指向正极。部由负极指向正极。将其他形式的能转换为电能将其他形式的能转换为电能的装置。的装置。对整个电路有：对整个电路有：说明：说明：反映电源做功本领，与外电路闭合反映电源做功本领，与外电路闭合否无关；否无关；是标量，遵循代数运算法则。是标量，遵循代数运算法则。磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度一、磁的基本现象一、磁的基本现象司南勺司南勺S SNN两极不可分割，即两极不可分割，即“单极子单极子”不存在。不存在。磁性磁性：能吸引铁、钴、镍等物质的性质。：能吸引铁、钴、镍等物质的性质。磁极：磁极：磁性最强的区域，分磁北极磁性最强的区域，分磁北极N和磁和磁南极南极S。1.磁铁的磁性磁铁的磁性磁偏角磁偏角2.磁力磁力 磁极间存在相互磁极间存在相互作用，同号相斥，异作用，同号相斥，异号相吸。号相吸。地球是一个巨大的永磁体。地球是一个巨大的永磁体。问题：磁现象产生的原因是什么？问题：磁现象产生的原因是什么？3.电流的磁效应电流的磁效应1819奥斯特实验奥斯特实验表明：电流对磁表明：电流对磁极有力的作用极有力的作用磁铁对电流有作用磁铁对电流有作用电流间有相互作用电流间有相互作用载流线圈的行载流线圈的行为像一块磁铁为像一块磁铁 结结论论：磁磁现现象象与与电电荷荷的的运运动动有有着着密密切切的的关关系系。运运动动电电荷荷既既能能产产生生磁磁效效应应，也也受受到磁力的作用。到磁力的作用。4.安安培培分分子子电电流流假假说说(1822年年)一切磁现象起源于电荷的运动。一切磁现象起源于电荷的运动。磁性物质的分子中存在着分子电流，磁性物质的分子中存在着分子电流，每个分子电流相当于一基元磁体。每个分子电流相当于一基元磁体。物质的磁性取决于内部分子电流对外物质的磁性取决于内部分子电流对外 界磁效应的总和。界磁效应的总和。说明了磁极不能单独存在的原因。说明了磁极不能单独存在的原因。二、磁场二、磁场 磁感强度磁感强度1.磁场磁场运动电荷运动电荷磁磁场场运动电荷运动电荷2.磁感应强度磁感应强度描述磁场大小和方向的物理量描述磁场大小和方向的物理量(1)定义：定义：方向：小磁针方向：小磁针N极指向；极指向；实实验验：正正试试验验电电荷荷q0以以速速率率v 在在磁磁场场中中沿沿不同方向运动受力：不同方向运动受力：实验结果实验结果:a.F v、B 组成的平面；组成的平面；q0b.F大小正比于大小正比于v、q0、sin q0沿沿磁磁场场方方向向运运动动，F=0;q0垂垂直直磁磁场场方方向运动，向运动，F=Fmax单位：单位：特斯拉特斯拉(T)磁感强度的大小磁感强度的大小：思想：我们在研究带电体产生的电场时，思想：我们在研究带电体产生的电场时，将其看成许许多多电荷元。即：将其看成许许多多电荷元。即：将电流看成许许多多的电流元：将电流看成许许多多的电流元：I.P实验证明：实验证明：在真空和在真空和SI制中，制中，方向方向:写成矢量表示：写成矢量表示：0 0=410-7-7亨利亨利米米-1 真空中的磁导率真空中的磁导率IIrdlIdB三、毕奥三、毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律四、毕四、毕萨定律应用举例萨定律应用举例 选取电流元或某些典型电流选取电流元或某些典型电流分布为积分元；分布为积分元；由由毕毕-萨萨定定律律写写出出积积分分元元的的磁磁场场dB；建建立立坐坐标标系系，将将dB分分解解为为分分量量式式，对对每每个个分分量量积积分分(统统一一变变量、确定上下积分限量、确定上下积分限)求求出出总总磁磁感感应应强强度度大大小小、方方向，对结果进行分析向，对结果进行分析例例7-1.载流直导线附近一点的磁感载流直导线附近一点的磁感应强度应强度a解：解：在导线上任取在导线上任取由毕由毕由毕由毕萨定律萨定律萨定律萨定律方向恒垂直屏向外方向恒垂直屏向外选选为积分变量，为积分变量，P12rlI 1=0,2=(2)“半无限长半无限长”载流导线载流导线aBI 1=/2 ,2=(3)P点在导线的延长线上点在导线的延长线上 B=0讨论讨论:“无限长无限长”载流导线载流导线“半无限长半无限长”载流导线载流导线(1)(1)“无限长无限长”载流导线载流导线例例7-2.载载流流圆圆线线圈圈半半径径为为R，电电流流强强度度为为I。求求轴轴线线上上距距圆圆心心O为为x处处P点的磁感强度。点的磁感强度。方向如图方向如图I各电流元在各电流元在P点点 大小相等，方向不同，大小相等，方向不同，解：在圆电流上取电流元解：在圆电流上取电流元根据毕奥根据毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律萨伐尔定律萨伐尔定律由对称性：由对称性：讨论：讨论：圆心处磁场圆心处磁场,x=0 N 匝：匝：定义定义:电流的磁矩电流的磁矩IS:电流所包围的面积电流所包围的面积,规定正法线方向与规定正法线方向与I 指向成右旋关系；指向成右旋关系；圆电流磁矩：圆电流磁矩：圆电流轴线上磁场：圆电流轴线上磁场：单位：安培单位：安培 米米2(A m2)例例7-3.A和和C为为两两个个正正交交放放置置的的圆圆形形线线圈圈，其其圆圆心心相相重重合合，A线线圈圈半半径径为为20.0cm，共共10匝匝，通通有有电电流流10.0A；而而C线线圈圈的的半半径径为为10.0cm，共共20匝匝，通通有有电电流流5.0A。求求两两线线圈圈公公共共中中心心O点点的的磁磁感感应强度的大小和方向。应强度的大小和方向。ACOB BCBA解：解：例例7-4.半半径径为为R的的圆圆盘盘均均匀匀带带电电，电电荷荷密密度度为为。若若该该圆圆盘盘以以角角速速度度 绕绕圆圆心心O旋旋转转，求求轴轴线线上上距距圆心圆心x处的磁感应强度。处的磁感应强度。解：解：ROPxxdBdrr任任取半径为取半径为r圆环，如圆环，如图图方向恒沿方向恒沿x轴轴环上电量为环上电量为则则1.磁感应线磁感应线规定规定:方向：方向：方向：方向：磁感应线的切向磁感应线的切向大小：磁感应线的疏密大小：磁感应线的疏密特点特点闭合，或两端伸向无穷远；闭合，或两端伸向无穷远；与载流回路互相套联；与载流回路互相套联；互不相交。互不相交。五、高斯定理五、高斯定理条形磁铁周围的磁感线条形磁铁周围的磁感线直线电流的磁感线直线电流的磁感线圆电流的磁感线圆电流的磁感线通电螺线管的磁感线通电螺线管的磁感线磁感应线闭合成环，无头无尾磁感应线闭合成环，无头无尾2.磁通量磁通量 通过磁场中某给通过磁场中某给定面的磁感线条数定面的磁感线条数单位：单位：Wb(韦伯韦伯)d dS S对封闭曲面，对封闭曲面，规定外法向规定外法向为正为正进入的磁感应线进入的磁感应线穿出的磁感应线穿出的磁感应线穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。3.真真空空中中磁磁场场的的高高斯斯定理定理穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零。S 磁场是磁场是“无源场无源场”，自然界没有单独，自然界没有单独存在的磁单极子。存在的磁单极子。例例7-5.无无限限长长直直导导线线通通以以电电流流I，求求通通过过如如图图所所示示的的矩矩形形面面积积的的磁磁通量。通量。abI解：建立如图所示的坐标系解：建立如图所示的坐标系xx 处磁感应强度的大小为：处磁感应强度的大小为：在在 x 处取面元处取面元dS，如图，如图元通量元通量静电场：静电场：磁场：磁场：下面以长直载流导线的磁场为例进行讨论：下面以长直载流导线的磁场为例进行讨论：1.电流穿过环路电流穿过环路LILd d r Bdl六六、真真空空中中磁磁场场的的安安培环路定理培环路定理若电流反向：若电流反向：ILd r Bdl2.多根载流导线穿过环路多根载流导线穿过环路六六、真真空空中中磁磁场场的的安安培环路定理培环路定理3.电流在环路之外电流在环路之外 在在真真空空的的恒恒定定磁磁场场中中，磁磁感感强强度度矢矢量量沿沿任任意意闭闭合合曲曲线线L的的线线积积分分(环环流流)，等等于于包包围在闭合曲线内各电流代数和的围在闭合曲线内各电流代数和的 0倍。倍。六六、真真空空中中磁磁场场的的安安培环路定理培环路定理定律分析：定律分析：(1)成立条件：恒定电流的磁场；成立条件：恒定电流的磁场；(2)L:场中任一闭合曲线场中任一闭合曲线安培安培环路环路 :环路上各点环路上各点总总磁感应强度磁感应强度,(L内外所有电流产生内外所有电流产生)；穿过以穿过以L为边界的任意曲面为边界的任意曲面 的电流的代数和；的电流的代数和；(3)安培环路定理揭示磁场是非安培环路定理揭示磁场是非保守场保守场无势场，涡旋场。无势场，涡旋场。I内内的正负符号与的正负符号与L绕向的关系：绕向的关系：规定：规定：与与L绕向成右旋关系绕向成右旋关系 Ii 0 与与L绕向成左旋关系绕向成左旋关系 Ii 1,BB0,B 与与B0同向同向抗磁质：抗磁质：(水银、铜、硫、氢、金、银水银、铜、硫、氢、金、银)r 1,B1,BB0,B 与与B0同向同向 r =0 B=0 完全抗磁性完全抗磁性2.磁介质分类：磁介质分类：磁介质中磁场：磁介质中磁场：相对磁导率相对磁导率磁导率磁导率二、磁介质中的高斯定二、磁介质中的高斯定理和安培环路定理理和安培环路定理1.磁化电流磁化电流 介介质质磁磁化化的的宏宏观观效效果果是是在在介介质质横横截截面面边边缘缘出出现现环环形形电电流流，这这种种电电流流称称为为“磁磁化化电流电流Is”。I0IS磁化电流与传导电流的区别：磁化电流与传导电流的区别：磁磁化化电电流流是是分分子子内内电电荷荷运运动动一一段段段段接接合合而而成成，不不同同于于传传导导电电流流的的电电荷荷定定向向运运动动，又又称称束束缚缚电电流流，其其磁磁效效应应与与传传导导电电流流相相当当，但不产生热效应但不产生热效应。2.有磁介质时的高斯定有磁介质时的高斯定理理磁磁介质中磁场：介质中磁场：由磁化电流产生的微观机理可知：磁由磁化电流产生的微观机理可知：磁化电流与传导电流在产生磁场方面等效。化电流与传导电流在产生磁场方面等效。3.有磁介质时的安培环有磁介质时的安培环路定理路定理定义：磁场强度定义：磁场强度介质的磁导率介质的磁导率可以证明：可以证明：只与穿过只与穿过L的传导电流代数和有关的传导电流代数和有关