稳恒磁场改进课件

磁磁悬悬浮浮列列车车磁聚焦磁聚焦1.1.稳恒磁场稳恒磁场一一.磁现象与磁场磁现象与磁场 1.磁现象：磁现象：磁石、铁磁性物质之间存在力的作磁石、铁磁性物质之间存在力的作用。用。2.有磁荷吗有磁荷吗磁性的起源磁性的起源18201820年奥斯特发现：电流产生磁场。年奥斯特发现：电流产生磁场。二二.磁力是如何作用的磁力是如何作用的磁场的提出磁场的提出电流电流电流电流磁场磁场永久磁铁：永久磁铁：分子环流假说分子环流假说稳恒电流稳恒电流稳恒磁场稳恒磁场电流电流定向运动定向运动的电荷的电荷磁场磁场三三.磁场的描述磁场的描述磁感应强度矢量磁感应强度矢量B B作用：从力的角度描述磁场的强弱。作用：从力的角度描述磁场的强弱。定义：设运动电荷，速度为定义：设运动电荷，速度为 v,电量为电量为 q,与磁与磁场夹角为场夹角为 。则电荷受到的最则电荷受到的最大磁力为：大磁力为：当当 不同时，力也不同。不同时，力也不同。F sin sin定义：定义：单位：单位：1T=104Gs自然界的一些磁场值自然界的一些磁场值中子星108T地球两极610-5T超导电磁铁540T人体磁场10-12T大型电磁铁12T地球赤道310-5T四四.电流磁场分布的讨论电流磁场分布的讨论毕毕沙定律沙定律 电流：取电流元电流：取电流元 Id dl，讨论其产生的，讨论其产生的d dB。回顾：回顾：点电荷：点电荷：带电体：带电体：拉普拉斯在研究了比奥和萨法尔的实验结果拉普拉斯在研究了比奥和萨法尔的实验结果之后，提出了电流元产生磁场的规律。之后，提出了电流元产生磁场的规律。IPrIdl电流元在电流元在P点的磁感应强度点的磁感应强度方向：右手螺旋判断。方向：右手螺旋判断。0=410-7TmA-1真空中的磁导率。真空中的磁导率。一段导线：一段导线：矢量积分矢量积分21例题：例题：求长直导线的求长直导线的B B的分布。见图：的分布。见图：aI解：取电流元解：取电流元IdlIdlr方向：方向：由于由于dB方向一致方向一致注意注意2的取值。的取值。若若：1=0 2=则：则：具有轴对称性。具有轴对称性。若若：1=/2,2=若若：1=0,2=/2则：则：则：则：21aIIdlr磁感应线磁感应线磁场的几何描述磁场的几何描述磁感应线磁感应线 （magneticinductionline)长直导线长直导线螺线管螺线管2 2 稳恒磁场的特稳恒磁场的特性性一一.磁场的高斯定理磁场的高斯定理穿过面元穿过面元dS的磁通，也就是穿过dS的磁感应线数目。对封闭面：对封闭面：磁场的高斯定理磁场的高斯定理无源场无源场例题例题 求中点的求中点的B B,阴影处的阴影处的。I1=20A=I2d=40cmA解：解：1.1.视为无限长，则有：视为无限长，则有：B=4.0 x10-5T2.先求先求1，取面元取面元dSr同理同理=1+2=2.2x10-6wb102010二二.稳恒磁场安培环路定理稳恒磁场安培环路定理1.1.定理定理导出：特例导出：特例无限长直载流导线无限长直载流导线见图：取圆形见图：取圆形 环路环路，并规定方向，半径为，并规定方向，半径为 r,Ir则有：则有：若环路反向，则有：若环路反向，则有：推论：推论：安培环路定理安培环路定理说明：说明：1.1.此定理对任意稳恒磁场成立。此定理对任意稳恒磁场成立。2.2.I的含义及的含义及符号的确定。符号的确定。3.3.公式中公式中B为何位置的为何位置的B 4.4.指出磁场为非保守场，并可求指出磁场为非保守场，并可求B的的分布。分布。2.应用应用B例例1.1.无限长螺线管，见图：无限长螺线管，见图：取环路（黑色），则有：取环路（黑色），则有：al1234例例2无限长载流圆柱体的无限长载流圆柱体的B分布。分布。RI解：解：取环路如图：取环路如图：r分区间求解，分区间求解，rRrR2 2 电磁相互作用电磁相互作用一一.洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹洛伦兹(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)荷兰物理学家、数学家，生于阿纳姆，毕业于莱顿大学荷兰物理学家、数学家，生于阿纳姆，毕业于莱顿大学1875年获年获博士学位。博士学位。1878年起任莱顿大学理论物理学教授。因研究磁场对辐年起任莱顿大学理论物理学教授。因研究磁场对辐射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金。年诺贝尔物理学奖金。洛伦兹是经典电子论的创立者。洛伦兹是经典电子论的创立者。1895年，洛伦兹根据物质电结构的年，洛伦兹根据物质电结构的假说，成功地解释了相当多的物理现象，创立了经典电子论。假说，成功地解释了相当多的物理现象，创立了经典电子论。洛伦洛伦兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛伦兹力兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛伦兹力是洛伦兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。洛伦是洛伦兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。洛伦兹还预言了正常的塞曼效益，即磁场中的光源所发出的各谱线，受兹还预言了正常的塞曼效益，即磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。洛伦兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论洛伦兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要基础。洛伦兹对统计物理学也有贡献。构成了相对论的重要基础。洛伦兹对统计物理学也有贡献。1.表达式：表达式：f=q vBBvv力的方向：由力的方向：由q和和vB决定决定。ff力的大小：力的大小：f=qvBsinFv仅改变速度方仅改变速度方向，不改变速向，不改变速度大小。度大小。2.2.带电粒子在电场与磁场中的运动带电粒子在电场与磁场中的运动 匀强磁场匀强磁场:vB：匀速圆周运动匀速圆周运动 半径：半径：qR周期：周期：ffv与与B夹角为夹角为Bvvh=vcos T螺距螺距h磁聚焦现象。磁聚焦现象。电子显微镜电子显微镜粒子粒子源源A接收接收器器A质谱仪质谱仪原理二二.安培力安培力载流导线在磁场中受力载流导线在磁场中受力1.实验事实实验事实 当除当除I 的大小外其它的大小外其它参数不变时参数不变时,F正比于正比于I。当除当除B的大小外其它的大小外其它参数不变时参数不变时,F F 正比正比于于B。当除当除L 的大小外其的大小外其它参数不变时它参数不变时,F F 正比于正比于L。当当I、L和和B B 的大小不变时的大小不变时,改变改变IL和和B B 夹角夹角,F的的大小变化如图所示：大小变化如图所示：2.安培定律安培定律B取电流元如图：取电流元如图：IdldF=IdlB大小：大小：dF=IdlBsin一段导线：一段导线：方向：方向：矢量积分矢量积分dabc三三.磁力矩磁力矩(匀强磁场匀强磁场)IBFabFcdFbcFdaFbcFdaBn边长为边长为L载流线圈处载流线圈处在匀强磁场中的受在匀强磁场中的受力情况：力情况：Fbc=IBL=Fda力矩：力矩：=ISBsin=IL2Bsin=mBsinm=IS线圈磁矩，是矢量。线圈磁矩，是矢量。矢量式：矢量式：对任意线圈成立对任意线圈成立讨论：讨论：=0稳定平衡稳定平衡=非稳定平衡非稳定平衡4.4.霍耳效应霍耳效应vBF霍耳电势差：霍耳电势差：LdIVH平衡时：qvB=qEqVH=EL=vBL 而而：I=nevLd所以：所以：v=I/nqLd霍尔系数，取决于导体材料霍尔系数，取决于导体材料霍耳效应测磁场5.5.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理一一.磁介质：磁介质：1.磁介质：在磁场中能产生附加磁场磁介质：在磁场中能产生附加磁场B的物质，的物质，此过程称被磁化。此过程称被磁化。2.总磁场总磁场 B=B0+B3.分类分类（1 1）顺磁质：磁性很弱，（为顺磁质：磁性很弱，（为 B0 0 的几万到几十的几万到几十万分之一）万分之一）在内部加强在内部加强B0 0。r r11（2 2）抗磁质：磁性很弱，在内部减弱）抗磁质：磁性很弱，在内部减弱B0 0。r r11 抗磁质与顺磁质统称为弱磁性物质抗磁质与顺磁质统称为弱磁性物质相对磁导率相对磁导率 （3 3）铁磁质：磁性很强，（为）铁磁质：磁性很强，（为B0的的10102 210104 4倍）倍）在内部加强在内部加强B0 0。4.4.磁化机制磁化机制顺磁性和抗磁性的微观结构顺磁性和抗磁性的微观结构对于物质中的分子，任一个电子都同时参与环绕对于物质中的分子，任一个电子都同时参与环绕原子核的轨道运动和电子本身的自旋，这两种运动原子核的轨道运动和电子本身的自旋，这两种运动都能产生磁效应。把分子看成一个整体，分子中各都能产生磁效应。把分子看成一个整体，分子中各个电子对外产生的磁效应的总和可用一个等效的圆个电子对外产生的磁效应的总和可用一个等效的圆电流表示，称为分子电流电流表示，称为分子电流I I分，分，它形成的磁矩称这它形成的磁矩称这分子的固有磁矩分子的固有磁矩P Pm m 。下面是电子。下面是电子e e自转同时绕正电自转同时绕正电荷公转的示意图和分子磁矩的示意图荷公转的示意图和分子磁矩的示意图电子电子e e自转同时绕正电荷公转自转同时绕正电荷公转分子磁矩的示意图分子磁矩的示意图研究证明，抗磁质分子在没有外磁场作用时，分研究证明，抗磁质分子在没有外磁场作用时，分子的固有磁矩子的固有磁矩P Pm m为零。顺磁质分子在没有外磁场作为零。顺磁质分子在没有外磁场作用时，分子的固有磁矩用时，分子的固有磁矩P Pm m不为零，但是由于分子的不为零，但是由于分子的无规则热运动，宏观上也不显磁性。无规则热运动，宏观上也不显磁性。微观解释微观解释在顺磁质中截取任一体积元在顺磁质中截取任一体积元 ，模拟它在没有外磁场作用，模拟它在没有外磁场作用时，分子的无规则热运动：时，分子的无规则热运动：由于分子的无规则热运动由于分子的无规则热运动,分子分子的固有磁矩取向杂乱无章，宏的固有磁矩取向杂乱无章，宏观上不显磁性。观上不显磁性。接通电源，螺绕环的内的磁接通电源，螺绕环的内的磁介质出现一恒定外磁场。介质出现一恒定外磁场。磁介质分子的固有磁矩磁介质分子的固有磁矩 Pm m 在外磁场中受力矩在外磁场中受力矩 M=PmB的作用而转向外磁场方向，使各分子的固有磁矩在一定程的作用而转向外磁场方向，使各分子的固有磁矩在一定程度上沿外磁场方向排列。磁介质内部任一处相邻的分子电度上沿外磁场方向排列。磁介质内部任一处相邻的分子电流都是成对反向相互抵消的，结果就形成沿横截面边缘的流都是成对反向相互抵消的，结果就形成沿横截面边缘的圆电流圆电流I I 使磁介质内的磁场加强了。这便是产生顺磁效应使磁介质内的磁场加强了。这便是产生顺磁效应的机理。的机理。下面是充满磁介质的螺绕环截面图下面是充满磁介质的螺绕环截面图:I 激起外磁场的电流激起外磁场的电流 I I分分 分子电流分子电流I I 由转向排列引起的束缚电流由转向排列引起的束缚电流 二二.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理考虑磁化电流：考虑磁化电流：考虑介质时，在介质内部：考虑介质时，在介质内部：所以：所以：B=r B0令：令：磁场强度磁场强度有：有：有介质时的安培环路定理有介质时的安培环路定理磁场的生物效应磁场的生物效应磁场处理种子：提高发芽率，促进生长，提高产量磁场处理种子：提高发芽率，促进生长，提高产量磁感应强度Gs单产（公斤/亩）增产效果磁场处理小麦种子的增产效果磁场处理小麦种子的增产效果0（对照组）211.4500257.421.72000253.720.05000216.92.69000261.123.5磁场中饲养小鸡体重较对照组增加一倍。磁场中饲养小鸡体重较对照组增加一倍。磁聚焦原理：若从带电粒子源向磁场中发射出一束高速带电粒子流，磁聚焦原理：若从带电粒子源向磁场中发射出一束高速带电粒子流，则它们具有相同的速度分量则它们具有相同的速度分量和不同的。尽管每个粒子的轨迹和半径不同，但它们在距出发点为h、2h、等处又会交汇于一点磁聚焦现象一般都是利用载流螺线管中激发的磁场来实现的地磁倒转是地球磁极在地质时期中的交替现象。地球内外挤压的过程不是永恒的,挤压的结果是达到原子核间斥力和正负电场引力的平衡.当挤压过程结束时,电流消失,自转驱动力会消失,地磁场也将消失,太阳发射出来的各种射线会直达地表,密集的正电粒子对电子的中和作用将进一步增强,使地幔层的电子减少,负电场减弱.这必然使地心的压力减小,引力将会变小,地球的腰围也必然会变粗.当地核的斥力占有绝对优势时,地球将会进入膨胀期,地幔层的电子会回流向地心,如果此时地球仍存在一定的自转惯性,那么,地磁场的方向会发生变换;如果此时的地球已完全停止自转,那么,还有可能是磁场的方向不变而改变的是自转的方向.因此,有两种结果产生:要么地磁反转,要么自转反向.地磁反转学说对此提供了可靠的依据近年来,许多地质学家一致认为在过去的7600万年中地磁至少反转过171次.因为许多国家已经从地质勘测中查到了地磁反转的证据.法国和美国的科学家通过10Be分析法证实地磁场发生过逆转.地球上的Be(铍)元素都是以稳定的9Be存在的,如果有10Be存在则与地磁场消失有关,地磁消失时,磁层和电离层消失,宇宙射线中的高能粒子会直达地表,在它们的轰击下,氮氧等元素会发生裂变反应,产生7Be和10Be.7Be的半衰期很短,将很快消失,而10Be的半衰期却很长,找到10Be就等于找到了磁极反转的证据.七十年代,科学家在大西洋海底4731米深处发现了较高浓度的10Be,相应的地质年代为70万年,从而证实,在70万年前有过一次地磁反转.