稳恒磁场与电磁场的相对性

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,*,第九章,稳恒磁场,1,静电荷,运动电荷,稳恒电流,静电场,稳恒磁场,电场 磁场,学习方法：,类比法,2,1-1 磁场、,磁感应强度,一、磁场,S,N,S,N,I,S,N,同极相斥,异极相吸,电流的磁效应,1820年,奥斯特,天然磁石,磁现象,3,电子束,N,S,+,4,安培提出,分子电流,假说：宏观物质内部存在着分子电流，每个分子电流均有磁效应，物质的磁性就是这些分子电流对外表现出的磁效应的总和。,磁性物质产生磁现象的解释：,N,S,分子电流,：,原子、分子等微观粒子内电子绕核运动和自旋运动形成了分子电流。,当各分子电流取向倾向一致时，物质便对外表现出磁性 。,5,在磁极或电流周围会产生磁场，磁极或电流之间的相互作用是通过,磁场,传递的 。,运动电荷(电流),磁场,运动电荷(电流),二、磁感应强度,磁场中小磁针静止时,N,极的指向方向（试验电荷,q,0,沿此方向运动时，其受力为零），规定为,磁感应强度的方向,。,材料1,F,max,: 运动电荷受到的最大磁力。,6,1-2 毕奥萨伐尔定律,一、,毕奥萨伐尔定律,电流元,对一段载流导线,方向判断：,右手螺旋定则,7,二、几种载流导线的磁场,1. 载流直导线产生的磁场,X,Y,a,P,已知：真空中，,建立坐标系,OXY,任取电流元,8,统一积分变量：,X,Y,a,P,9,讨论,1）,无限长载流直导线,2）,直导线延长线上,+,方向判断：,右手螺旋定则,10,p,R,2.,圆型电流轴线上的磁场,已知:,R、I，,求轴线上,P,点的磁感应强度。,建立坐标系,OXY,任取电流元,分析对称性、写出分量式,11,统一积分变量,结论,方向： 右手螺旋定则,大小：,x,p,R,12,讨论,1）在圆心处,I,N,匝载流圆线圈（各匝半径相同，忽略线圈厚度）：,定义：,圆线圈的磁矩,I,13,2）,载流圆弧，,在圆心处,I,圆心角,3. 载流密绕直螺线管内部的磁场,S,l,14,设真空中有一长为,l,，半径为,R,的均匀密绕直螺线管，单位长度的匝数为,n,，所载电流为,I,。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,P,O,15,讨论,1）若 即,无限长的螺线管,，,则有,2）半无限长直螺线管的端点（例如，左端点）,则有,16,1-3 磁场的高斯定理,一、,磁感应线（,磁力线）,方向：切线,大小：,I,直线电流的磁力线,圆电流的磁力线,I,通电螺线管的磁力线,17,（1）,磁感应线是无头无尾的,闭合曲线,。,（2）任意两条,磁感应线,在空间,不相交,。,（3）,磁感应线,的环绕方向与电流方向组成,右手螺旋关系,。,磁感应线的特点：,二、磁通量,穿过磁场中任一曲面的磁力线的条数,18,三、高斯定理,穿过,任意,闭合曲面的磁通量为零,物理意义：,磁场是无源场,，即不存在磁单极。,19,一、 安培环路定理,在真空中的稳恒磁场中，磁感应强度的环流，等于穿过该闭合曲线的所有电流强度的代数和的 倍。,(1)物理意义：磁场是,非保守场,，不能引入磁势概念。,(2)电流,取正,时与环路构成右手螺旋关系。,如图,1-4 磁场的安培环路定理,20,静电场,稳恒磁场,磁场没有保守性，它是,非保守场，或无势场,电场有保守性，它是,保守场，或有势场,电力线起于正电荷、,止于负电荷。,静电场是有源场,磁力线闭合、,无自由磁荷,磁场是无源场,21,二、安培环路定理的应用,当场源分布具有,对称性,时，利用安培环路定理计算磁感应强度分布。,I,R,例1. 无限长载流圆柱导体的磁场分布,分析对称性,电流分布轴对称,磁场分布轴对称,已知：,I、R,电流沿轴向，在截面上均匀分布,22,的方向判断如下：,23,I,R,24,练习,：同轴的两筒状导线通有等值反向的电流,I,求 的分布。,25,已知：,I、n(,单位长度导线匝数,),分析对称性,管内磁力线平行于管轴,管外靠近管壁处磁场为零,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,例2. 长直载流螺线管的磁场分布,26,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,管内：,27,已知：,I 、N、R,1,、R,2,N,导线总匝数,分析对称性,磁力线分布如图,作积分回路如图,方向,右手螺旋,r,R,1,R,2,.,.,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,例3. 环形载流螺线管（螺绕环）的磁场分布,28,.,.,B,r,O,计算环流,利用安培环路定理求,r,R,1,R,2,.,.,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,29,1-5 磁场对载流导线的作用,一、 安培定律,安培力：,电流元在磁场中受到的磁力,方向判断,：,右手螺旋定则,载流导线受到的磁力：,大小,：,30,B,取电流元,受力大小,方向,结论,方向,例1,、,均匀磁场中载流直导线所受安培力,31,例2、,均匀磁场中任意形状导线所受的作用力,受力大小,方向如图所示,建坐标系，取分量,取电流元,32,导线,2,单位长度上所受的磁力为：,二、,两平行,长,直,载流导线间的相互作用力,a,电流单位,“安培”的定义,：,真空中两条载有等量电流，且相距为1米的长直导线，当每米长度上的相互作用力为210,-7,N时，导线中的电流大小为1A。,导线,1,单位长度上所受的磁力为：,33,三、均匀磁场对载流线圈的作用,.,34,如果线圈为,N,匝,上式对于处于,均匀磁场中的任意形状的平面线圈,都是适用的。,35,四、磁场对运动电荷的作用,1、洛仑兹力,运动电荷在磁场中所受的磁场力,36,大小,方向,洛仑兹力,永远不做功,，即洛仑兹力只能改变速度的方向，而不能改变速度的大小。,粒子在同时存在电场和磁场的空间运动时，其受的合力：,电场力,磁场力,洛仑兹关系式,2、,带电粒子在磁场中的运动（自学）,37,3、霍耳效应,厚度,b,宽为,a,的导电薄片，沿,x,轴通有电流强度,I,，当在,y,轴方向加以匀强磁场,B,时，在导电薄片两侧,产生一电位差,，这一现象称为,霍耳效应,。,R,H,-霍耳系数,38,霍耳效应原理,带电粒子在磁场中运动受到洛仑兹力,q0,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,此时载流子将作匀速直线运动，同时 两侧停止电荷的继续堆积，从而在 两侧建立一个稳定的电势差,39,（1）1980年，德国物理学家克里青发现，在低温和强磁场的情况下，二维电子气体的霍耳系数,（2）1982年，美籍华人崔琦等人发现，当二维电子气体在更强的磁场和更低的温度下，,R,H,的取值是量子化的，这种效应称为,量子霍耳效应,，该成果获得,1985年的诺贝尔物理学奖,。,这种称为,分数量子化效应,。该成果获,1998年的诺贝尔物理学奖,。,40,霍耳效应的应用,2、根据霍耳系数大小的测定，可以确定载流子的浓度,1、确定半导体的类型,霍耳效应在科学技术上的许多领域都有广泛的应用，如量测技术、电子技术、自动化技术、磁流体发电技术等。,3、用霍耳元件（根据霍耳效应制作的半导体元件）测磁场，,4、霍耳电机,5、磁流体发电,41,1、 磁介质的分类,六、磁介质,磁介质能与磁场产生相互作用的物质,磁化磁介质在磁场作用下所发生的变化,（1）顺磁质,（3）铁磁质,（2）抗磁质,根据 的大小和方向可将磁介质分为三大类,附加磁场,磁导率描述不同磁介质磁化后对原外磁场的影响,定义,:,42,2、,弱磁质磁化的微观机制,（1）顺磁质的磁化,由于分子的热运动，,分子磁矩取向各不相同,，整个介质不显磁性。,分,子,磁,矩,电子存在两种运动：绕核的轨道运动和自旋运动。这两种运动形成,分子电流,（,等效为一个圆电流,），分子电流形成的磁矩称为,分子磁矩,。,无外磁场作用时，,分子磁矩不为零,43,有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使,分子磁矩转向外磁场的方向,。,分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化的结果：使,介质内部磁场增强,。,44,（2）抗磁质的磁化,无外磁场作用时，,分子磁矩为零,在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩,外磁场场作用下产生附加磁矩,电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。,抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。,总与外磁场方向,反向,45,3、磁介质中的安培环路定理,磁介质在外磁场中磁化后，会产生,磁化电流,I,S,。,例如，外磁场中的顺磁质棒。,I,S,I,S,46,（1）磁场强度,在均匀磁介质中，定义：,介质的磁导率,（2）安培环路定理,传导电流,磁化电流,磁场强度沿任一闭合回路的环流，等于此闭合回路所包围的,传导电流,的代数和 。,I,的方向与回路绕向组成右手螺旋关系时，,I,为,正,。,47,例1,一无限长载流圆柱体，通有电流,I,，设电流,I,均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为,，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。,解：,I,R,48,在分界面上,H,连续,B,不连续,I,R,49,S,4、磁介质中的高斯定理,磁场中，穿过任意封闭曲面的磁通量为零。,磁场是无源场，磁感应线是闭合的,。,磁介质中的高斯定理,50,5、,铁磁质,（1）铁磁质的特性,磁导率,不是一个常量,，它的值不仅决定于原,线圈中的电流，还决定于铁磁质磁化的历史。,B,和,H,不是线性关系,。,有,很大的磁导率,。,放入线圈中时可以使磁场增强,10,2,10,4,倍。,有,剩磁、磁饱和及磁滞现象,。,温度超过,居里点,时，铁磁质转变为顺磁质。,51,（2）,磁化曲线,磁化曲线从0点开始，随着磁化场,H,的增大，铁磁质内,B,非线性增大，,H,达到某一值后，,B,不再增大，此时的磁感应强度,Bs,称为,饱和磁感应强度 。,这条曲线叫做起始磁化曲线，简称,磁化曲线,。,铁磁质的 不一定是个常数，,它是 的函数,52,初始磁,化曲线,.,.,.,.,.,.,.,矫顽力,饱和磁感应强度,磁滞回线,剩 磁,（3）,磁滞回线,53,