磁场和磁感应强度.ppt

1 11-2 磁场和磁感应强度 一 、 磁现象 (magnetic phenomenon) 磁现象的发现比电现象早很多。东汉王充“司 南勺”，北宋沈括航海用指南针“四大发明”。 同号磁极互相排斥 ， 异号磁极互相吸引 。 磁极周 围存在磁场 ， 处于磁场中的其它磁极或运动电荷 ， 都要受到磁场的作用力 ， 此作用力称为 磁场力或磁 力 。 磁场力是通过磁场这种特殊物质传递的 。 磁铁磁性最强区域称为 磁极 。磁铁指向北方的磁 极为 磁北极或 N极 ；指向南方的为 磁南极或 S极。 2 磁的基本现象 司南勺 （ 1）具有磁性，能吸引铁、 钴、镍等物质。 （ 2）具有磁极，分磁北极 N和磁南极 S。 （ 3）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸。 （ 4）磁极不能单独存在。 永磁体的性质： 3 在磁极区域，磁性较强 5.11 磁偏角 地球是一个巨大 的永磁体。 4 1820年 4月，丹麦物理学 家奥斯特 (H.C.Oersted， 1777 1851） 发现了小磁针 在通电导线周围受到磁力作 用而发生偏转。 磁铁对载流导线、载流导线之间或 载流线圈之间也有相互作用。 实验发现： 5 磁现象与电荷的运动有着密切的关系。运动电 荷既能产生磁效应，也能受磁力的作用。 结论： 1821年，安培提出了关于物质磁性的本质假说： 一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分子中 存在回路电流，称为分子电流。分子电流相当于基 元磁铁，物质对外显示出磁性，取决于物质中分子 电流对外界的磁效应的总和。 6 1820年奥斯特 发现电流的磁效应后，人们才认识 到磁与电的密切联系。 1820年 安培 发现磁体对电流作用和电流之间相 互作用，提出 一切磁现象都起源于电流，一切物质 的磁性都起源于构成物质的分子中存在的环形电流。 这种环形电流称为 分子电流 。 安培分子电流假说 与近代关于原子和分子结构 的认识相吻合。原子是由原子核和核外电子组成 的，电子的绕核运动就形成了经典概念的电流。 7 物质磁性起源 不能完全用经典理论来描述 。 量子理论表明 ， 核外电子对磁性有一定的贡献 ， 但物质磁性的 主要来源是电子的自旋磁矩 ， 铁磁 物质的强烈磁性则与相邻原子间 电子自旋磁矩 的 交换作用有关 。 都不能用经典概念予以描述 。 磁现象与电现象有很多类似，在自然界有独 立存在的电荷，却至今没找到独立存在的磁荷， 即所谓“磁单极子”。 寻找 “磁单极子” 是当今科学界面临的重大 课题之一。 8 磁场和磁感应强度 运动电荷 磁场 运动电荷 恒定磁场： 磁场分布不会随时间发生变化，一般可 由恒定电流激发而在电流周围空间产生。 反映磁场性质的物理量： 磁感应强度 B 磁感应强度 的方向： B 小磁针在场点处时其 N 极的指向。 9 实验： 1. 点电荷 q0以同一速率 v沿不同方向运动。 实验结果： v F F 的 大 小 随 v 而 变 化 （ 4）电荷 q0垂直磁场方向运动时， m a xFF （ 3）电荷 q0沿磁场方向运动时， 0F B v F 0q （ 1） （ 2） 10 2. 在垂直于磁场方向改变运动电荷的速率 v，改变点 电荷的电量 q0。 （ 1）在磁场中同一场点， Fmax/q0v 为一恒量 ； （ 2） 在 磁场中 不同 场 点， Fmax/q0v 的量值不同。 实验结果： 定义磁感应强度 的大小： B 国际单位制单位：特斯拉（ T） m a x 0 FB q v 11 带电粒子在磁场中沿 其他方向运动时，其受力 垂直 于 与该特定方向 所组成的平面 . v 当带电粒子在磁场中 垂直于此特定方向运动时 受力最大 . FFF m a x vq Fmax 大小与 无关 v,q vqF m a x 12 二 、 磁感应强度 (magnetic induction) 1.任一点 P的磁感应强度的方向 当试探电荷 q0以速度 v沿 某特定直线 通过磁场中 的点 P时，作用于它的 洛伦兹力总等于零 ，与试 探电荷的电量和运动速率无关。这条特定直线是 点 P的磁场自身的属性，称为 零力线 。 把这条直线规定为点 P的磁感应强度的方向 。 + q v B LF 用磁感应强度描述磁场， 以矢量 表示。 B 运动电荷在磁场中所受的磁场力称为 洛伦兹力。 13 2. 点 P的磁感应强度的大小 3. 点 P的磁感应强度的指向 B、 v、 F 满足右螺旋关系 ： 电荷速度与该 特定方向垂直 时受到的磁力最大。 点 P磁感应强度的大小 B F q v = 0 正试探电荷所受洛伦兹 力大小为 F=q0vBsin s in 0 vq FB BvqF 0 v B 单位 特斯拉 (T),NsC-1m-1,Vsm-2,NA-1m-1。 v F mF 14 人体磁场极弱， 如心电激发磁场 约 3 10-10T。 测 人体内磁场分布 可诊断疾病，图 示磁共振图像 。 地球磁场约 5 10-5T。 大型电磁铁磁 场可大于 2T。 超导磁体能激 发高达 25T磁 场；原子核附 近可达 104T； 脉冲星表面高 达 108T。 一些磁场的大小： 15 16 三、磁感应线和磁通量 磁场中某点磁场方向是确定的， 磁感线不会相交 。载流导线周围磁 感线都是围绕电流的 闭合曲线 ， 没有起点，也没有终点 。 磁感应线 (magnetic induction line)形象表示磁场 分布状况： 曲线上每点 切线方向与该点磁感应强 度 B方向一致 ；在与磁场垂直的单位面积上穿过 曲线的条数 ， 与该处 B的大小成正比 ， 即疏密程 度反映出 B的大小 。 一簇磁感应线围成的管状区域称为 磁感应管 。 B I 17 磁感应线 （ 1） 磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁 感应强度的方向一致。 （ 2） 垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处 磁感应强度 B 的大小。 磁感应线（ B线）： B 18 磁感线 1.画法 (1)磁感线上某点的切向和该点磁感强度 B 的方向一致 ； (2)通过垂直于 B的单位面积的磁感线的条数 等于该点 B的大小。磁场强处磁感线密。 2.性质 (1)两条磁感线不能相交； (2)磁感线是环绕电流的 闭合曲线 。 19 I 磁感线 I 3.典型磁感线 (1)载流长直导线 磁场的磁感线 右手：拇指 I方向； 四指 -磁感线方向 (2)载流圆线圈磁 场的磁感线 右手：拇指 I方向； 四指 -磁感线方向 20 I I (3)载流直螺旋线圈 磁场的磁感线 右手握住螺旋线圈： 四指 I方向； 拇指 -线圈内部的磁 感线方向 (4)载流螺绕环磁 场的磁感线 右手握住螺绕环： 四指 I方向； 拇指 -环内的磁感线方向。 磁感应线的性质 与电流套链 闭合曲线 (磁单极子不存在 ) 互不相交 方向与电流成右手螺旋关系 I I B B 22 图片：典型磁感线 23 长直电流 周围的磁感应线，在垂直 于电流的平面内磁感应线是一系列 同 心圆 ，圆心在电流与平面的交点上。 B I 磁感线和电流满足右手螺旋法则。 为描述磁场的强弱，规定磁场中某点处垂直于 B 矢量的单位面积上通过的磁感线数目 (磁感线密度 )， 等于该点 B 的数值。 圆电流 周围的磁感应线，在与圆面正交并过其 直径的平面内，磁感应线是两簇环绕电流的曲线。 24 任意曲面 S 的 磁通量 (magnetic flux) 定义为， 曲面上任意一点的磁感应强度 B与该处面元 dS的标积 BdS 在整个曲面 S上的代数和，即 S SB d B n P S 在国际单位制中，磁通量 的单位是 Tm2，也称为 Wb (韦伯 )。 2m1T1Wb1 25 对闭合曲面，规定正法线方向垂直于曲面向外。 当磁感线从曲面内穿出时，磁通量为正，而当磁感 线从曲面外穿入时，磁通量为负。 B n 在不均匀磁场中，通过 任意面积元的磁通量： 在均匀磁场中通过面积 S 的磁通量为： cosBS SBSB dc o sdd SBSB S dc o sd 26 S BdS 0 磁场的高斯定理 (磁通连续原理 )： 在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量恒为零。 因为磁感线是闭合曲线，穿入封闭曲面的磁感线条数 和穿出封闭曲面的磁感线条数一定相等，故通过封闭 曲面的磁通量恒为零。 B线闭合，无头无尾，这说明不存在单独磁荷 (即磁单极子不存在 )。 27 点击深色键返回原处 (H.C.Oersted , 17771851)