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1、中国科大磁悬浮编钟惊艳世博会闭幕式 钕铁硼强磁 第1页/共86页人类对磁学的认识人类对磁学的认识磁现象起源：磁石吸铁磁铁矿：Fe3O4古代：慈石，“石铁之母也。以有慈石，故能引起子。”东汉高诱慈石注河北磁县，古称慈州，磁州，盛产磁石东汉 王充：论衡“司南勺”最早磁性指南器具指南针：四大发明之一第2页/共86页第3页/共86页十一世纪：北宋：沈括梦溪笔谈明确记载指南针：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不会南也。”十二世纪：以指南针航海十三世纪：西方在北宋200年后才有类似记载近代：铁磁物质充磁（励磁），冰箱封条磁铁两端引铁屑，中部不引 两端：磁极，中部：中性区第4页/共86页两端吸引，
2、中部不吸地球是大磁铁地球磁场：可能是地球内部液态铁流动产生的地球磁极：经过一定时间会逆转磁场：强弱无（反转）弱强恐龙灭绝的可能原因之一第5页/共86页地磁的作用第6页/共86页悬挂磁铁：偏转指北：北极（N）指南：南极（S）同性相斥同性相斥异性相吸异性相吸地磁场：地磁场：N极在地理南极附近极在地理南极附近 S极在地理北极附近极在地理北极附近结论：电、磁相似结论：电、磁相似历史：电、磁研究分开历史：电、磁研究分开十九世纪十九世纪：重要发现：认识到两者不可分：重要发现：认识到两者不可分第7页/共86页奥斯特实验奥斯特实验无电流：沿南北取向有电流：偏转电流方向不同，偏转方向也不同电流对磁铁有作用力磁铁
3、对电流有作用力？磁铁对电流也有作用力！第8页/共86页电流与电流间是否有作用力？电流与电流间是否有作用力？有作用力！同向相吸，异向相斥第9页/共86页螺线管：螺线管：通电螺线管类似磁铁右手定则：弯曲四指沿电流环绕方向，拇指指向为N极。第10页/共86页第11页/共86页磁场磁场与电荷间相互作用类比：电流间或磁极间相互作用通过磁场来传递磁场的基本性质：对于任何置于其中的其它磁极或电流施加作用力磁铁电流磁场磁铁电流可交叉通过螺线管与磁棒间相似性：磁铁和电流本源上是否一致？第12页/共86页安培环流假说：1822年法国安培：组成磁极的最小单元是环形电流（当时不了解原子结构，电子运动引起分子环流。）电
4、流磁铁的本源是电荷的运动。库仑相互作用：运动、静止电荷都有磁相互作用：仅运动电荷有电流电流磁场运动电荷间的相互作用：第13页/共86页安培示零实验无定向秤第14页/共86页安培定律安培定律稳恒电流闭合回路形壮、大小、位置问题复杂化电流元：不能孤立存在：电流元1给2 力：与两电流元的取向有关A：共面共面第15页/共86页B：非共面，普遍情形普遍方向在和平面内垂直第16页/共86页全面反映了电流元1给电流元2的作用力，即安培定律。第17页/共86页安培定律的一般形式：第18页/共86页例：求平行电流元间的相互作用力。第19页/共86页例：求垂直电流元间的相互作用力。方向向下结论：电流元间不满足牛顿
5、第三定律，实际中，不存在孤立的稳恒电流元。沿回路积分，回路作用力总与反作用力大小相等，方向相反。第20页/共86页电流强度单位：安培的定义的绝对测量平行导线：第21页/共86页ABC安培秤真空中的磁导率第22页/共86页磁感应强度矢量B同电场E磁场：试探电流元：第23页/共86页磁感应强度矢量空间某点磁感应强度大小：B的方向沿I2dl2不受力的方向，此时B有两个方向，由右手定则唯一确定毕奥-萨伐尔定律第24页/共86页单位：单位：B：牛顿/安培米；特斯拉（T）1特斯拉=1牛顿/安培米高斯(Gs)1特斯拉=104高斯磁感应线：每点切线方向与磁感应强度矢量的方向一致。玻璃板水平放置 上面撒铁屑第2
6、5页/共86页dB垂直于dl与r所在的平面载流回路的磁场右手定则：第26页/共86页例：载流直导线产生的磁场第27页/共86页若导线无限长：在载流无限长直导线周围的磁感应强度B与距离r0的一次方成反比。第28页/共86页例：载流园线圈轴线上产生的磁场第29页/共86页第30页/共86页亥姆赫兹线圈由于有对称性：合成磁场B的曲线在O点的切线一定是水平的。x=0处有极值O1O2之间距离较大时，O点磁场较弱，故B在O点有极小值O1O2之间距离较小时，O点磁场较大，故B在O点有极大值第31页/共86页亥姆赫兹线圈第32页/共86页亥姆赫兹线圈亥姆赫兹线圈：间隔等于半径的一对共轴园线圈第33页/共86页
7、载流螺线管中磁场，半径R，总长度L，单位长度的匝数为n.dl内的匝数：dl在P点的磁场：整个螺线管在P点的磁场：第34页/共86页特殊情况：B的大小与场点X无关半无限长：管外磁场很弱第35页/共86页管外磁场很弱第36页/共86页一多层密绕螺线管中磁场，内半径R1，外半径R2，总长度L=2l，总匝数为N，求中心O点的磁场.取绕线薄层dr：dr薄层在O点的磁场：第37页/共86页约化半尺度约化外半径第38页/共86页磁场的几何描述磁力线：曲线上每一点的切线方向正是该点磁感应强度B的方向，这样的曲线叫做磁感应线。磁力线数密度：垂直磁力线的单位横截面穿过的磁力线数与该处的磁感应强度值等磁感应曲线图：
8、可以把磁场在空间的各自处的强弱、方向分布情况直观、形象在表示出来。第39页/共86页磁力线通电直导线通电平行直导线通电圆环第40页/共86页磁力线有限长通电螺线管磁铁磁棒的磁感应线是从N极出发走向S极螺线管在外部的磁感应线与磁棒的磁感应线十分相似,它从是螺线管的一端(等效N极)出发走向另一端(等效S极),但在内部却是从S极走向N极SN第41页/共86页磁感应通量通过曲面S的磁感应数目R：电流元到场点的距离矢量。dB垂直由dl和R组成的平面。第42页/共86页磁通量单位:韦伯(Wb)单位:韦伯(Wb)第43页/共86页磁场高斯定理磁场高斯定理物理意义:反映了磁场的”无源性”,即孤立磁荷不可能存在
9、高斯定理:通过任意闭合曲面S的磁通量等于零.证明:因任一磁场B都是由许多电流元产生的磁场的叠加,只要证明电流元产生的磁场满足高斯定理电流元磁场高斯定理的证明第44页/共86页磁场高斯定理证明磁场高斯定理证明方向:与园周相切结论:园环上任意截面的磁通都相同第45页/共86页磁场中环路定理磁场中环路定理磁场是有旋场安培环路定理:沿任一闭合曲线L磁感应强度B的环流等于穿过L的电流强度的代数和的m0倍电流的正负由环路右手定则判断.证明:第46页/共86页磁场中环路定理证明一磁场中环路定理证明一证明:平行四边形的面积场点P沿dl的移动与场点不动,载流回路L沿-dl的平移等价.电流元Idl作位移-dl扫过
10、扫过平行四边形的面积ds 为ds在r方向上的投影 为ds对场点P所张立体角第47页/共86页磁场中环路定理证明二磁场中环路定理证明二证明:w:载流回路L平移-dl过程中扫过的带状面积对场点P所张立体角 以L为边界作曲面S,S对P的立体角为W L平移 W改变 L平移前 S1 L平移后 S2第48页/共86页磁场中环路定理证明三磁场中环路定理证明三证明:立体角W的正负由矢径与面积元法向的夹角决定dW:为载流回路L由于作位移dl平移平移,使使L所围面积对P点立体角的变化量 沿积分回路场点移动一周时看载流回路L所围面积的立体角的总变化量.载流回路L所围面积的面元矢量ds方向是由右手定则确定的.P第49
11、页/共86页磁场中环路定理证明四磁场中环路定理证明四证明:L1:ds面元的方向垂直向外(右手定则)积分分三种情况:ABBAIILL2L1L3P外侧A点:内侧A点:L2:内侧B点:内侧B点:L3:第50页/共86页安培环路定理的微分形式安培环路定理的微分形式ABBAIILL2L1L3P静电场:有源无旋矢量场磁 场:无源有旋矢量场第51页/共86页在没有电流的区域，如磁场是平行直线，B是否一定均匀？无限长螺线管外部磁场为0的近似条件是什么？如果存在电流，结论如何？仅仅密绕是否足够？第52页/共86页利用安培环路定理解题一利用安培环路定理解题一例:横截面为园的无限长载流直导线的磁场分布.(半径R,电
12、流I均匀通过横载面)第53页/共86页利用安培环路定理解题二利用安培环路定理解题二例:电流均匀分布在无限大平面导体薄板上,面电流密度为i,空间磁场分布情况.由于对称性:磁场只有沿Y轴方向的分量例:绕在园环上的线圈叫做螺线管,半径:R,N,I第54页/共86页验算一下沿圆形载流线圈轴线的积分？第55页/共86页稳恒磁场的矢量势稳恒磁场的矢量势(磁矢势磁矢势)电学中:A:稳恒磁场中的磁矢势磁学中:线电流回咯线电流回咯:第56页/共86页安培力与洛伦兹力安培力与洛伦兹力线电流元外磁场外磁场:受力电流外的其他电流产生的磁场受力电流外的其他电流产生的磁场.在外磁场在外磁场B中所受力矩中所受力矩面电流元体
13、电流元安培公式闭合导线电流面电流体电流第57页/共86页半径为R的无限长圆柱面上沿轴向通有电流I，轴向均匀分布，长为l的半圆柱面的受力情况。yxzlnndff第58页/共86页例例:平行无限长直导线平行无限长直导线矩形线圈所受的力矩矩形线圈所受的力矩:单位长度:I1I2aABCDB BOO作用线相同作用线相同,对刚体对刚体线圈不产生效果线圈不产生效果ab第59页/共86页矩形线圈所受的力矩矩形线圈所受的力矩:ABCDB BOOabn第60页/共86页载流线圈所受的力矩载流线圈所受的力矩:分割法:S:整个回路所包围的面积线圈平面与磁场平面垂直的情况:线圈平面与磁场平面夹角q:描述一个任意形状的载
14、流平面线圈本身性质的矢量,称为这个线圈的磁矩第61页/共86页载流线圈所受的力矩载流线圈所受的力矩:描述一个任意形状的载流平面线圈本身性质的矢量,称为这个线圈的磁矩任意形状的载流平面线圈作为整体,在均匀外磁场中不受力,但受到一个力矩.这力矩总是力图使这线圈的磁矩m(右旋法线矢量右旋法线矢量n)转转到磁感应强度矢量到磁感应强度矢量B的方向的方向mmmBBB第62页/共86页任意载流线圈所受的力矩任意载流线圈所受的力矩:mBmBmBmBmB稳定平衡非稳定平衡力矩最大第63页/共86页与电偶极子类比与电偶极子类比PEPEPEPEPE电场中的电偶极子:第64页/共86页2、应用电动机Oenq qBNO
15、w wRi半园电刷环形电刷第65页/共86页应用磁电式仪表磁电式电流计的工作原理当恒定电流通过时当脉冲电流通过时是线圈的转动惯量是游丝的扭转常量第66页/共86页磁力的功一、载流导线一、载流导线二、载流线圈二、载流线圈磁力所作的功等于电流乘以通过载流磁力所作的功等于电流乘以通过载流线圈的磁通量的增加。线圈的磁通量的增加。第67页/共86页洛伦兹力洛伦兹力表达式：特 征：1、始终与电荷的运动方向垂直，因此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。2、洛伦兹力永远不会对运动电荷作功。V V V VF=0F=0F=0F=0B B B BF=FmaxF=FmaxF=Fm
16、axF=FmaxF F F FV V V VB B B B第68页/共86页带电粒子在均匀磁场中的运动粒子作匀速直线运动粒子：电量 ,质量 ,初速度 磁场：1、与 平行时粒子作匀速率圆周运动2、与 垂直时第69页/共86页3、与 成 时 B B均匀均匀粒子作螺旋运动第70页/共86页说明:F 有一指向磁场较弱方向(左)的分力使 粒子反转北极光现象来自太阳系的带电粒子在地磁的作用下,在北极附近震荡,使大气激发,产生北极光第71页/共86页磁约束将高温等离子体约束在一定范围内.将线圈称为磁塞、磁镜VBminq投掷角入射速度不变，捕获范围多大？磁镜比脱离磁镜解释范阿仑带第72页/共86页第73页/共
17、86页电场力，与电荷的运动电场力，与电荷的运动状态无关状态无关磁场力，运动电荷才磁场力，运动电荷才受磁力受磁力用来控制带电粒子的运动用来控制带电粒子的运动1 1、磁聚焦、磁聚焦带电粒子在电场磁场中的运动第74页/共86页条件：横向电场，纵向磁场横向电场，纵向磁场原理：电子束经电场加速，横向电场分离（电子束经电场加速，横向电场分离（），在纵向磁场作用下作螺旋线运动在纵向磁场作用下作螺旋线运动用途：测荷质比测荷质比 是纵向路径是纵向路径第75页/共86页2、回旋加速器条件：交变电场，恒定强磁场共同作用交变电场，恒定强磁场共同作用原理：电子在狭缝处被电场加速，盒内在磁场作用下电子在狭缝处被电场加速，
18、盒内在磁场作用下作原周运动，周期与速率无关作原周运动，周期与速率无关用途：获得高能粒子流获得高能粒子流第76页/共86页3、质谱仪电场电场、磁场共同作用磁场共同作用条件：用途：测荷质比测荷质比第77页/共86页洛伦兹力洛伦兹力平衡条件：4、霍耳效应电场力：霍耳系数：与载流子浓度有关半导体：n 小，K大导体：n 大，K小第78页/共86页载流导体薄板、磁场载流导体薄板、磁场霍耳电势差测半导体类型；测磁场强度等测半导体类型；测磁场强度等4、霍耳效应条件：原理：用途：第79页/共86页低温下RH与B成非线性关系霍耳电阻量子霍耳效应1985年诺奖强磁场下（2030T）崔琦等1998年诺奖第80页/共8
19、6页磁流体发电高温气体3000K2300K开环系统、闭环系统EneEsS第81页/共86页磁流体发电高温气体3000K2300K开环系统、闭环系统第82页/共86页磁场对载流线圈的作用一、安培定律1、定义：任意电流元在磁场中受安培力为或2、产生原因：电子定向移动受洛仑兹力3、方向：满足右手螺旋法则方向由 决定是的矢量和4、分量式第83页/共86页5、应用举例（1）磁场对直导线的作用 已知：N=9,B=0.1A,m=4.40g 磁称：求：B 解：线圈底边受安培力 当天平平衡时第84页/共86页（2）磁场对曲导线的作用 已知：R,B 求：F 因为对称第85页/共86页感谢您的观看！第86页/共86页