《恒定电流的磁场 Stationary magnetic field恒定电流.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《恒定电流的磁场 Stationary magnetic field恒定电流.pptx（78页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、11-2 磁感应强度 磁场的高斯定理一、磁现象一、磁现象永磁体的性质S SN N（1）永磁体具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。（2）永磁体具有磁极，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。第1页/共78页奥斯特实验（1819年）N NS SI I 在载流导线附近的小磁针会发生偏转在载流导线附近的小磁针会发生偏转第2页/共78页1820年安培的发现SNF FI I 放在磁体附近的载流导线或线圈会受到力的作用而发生运动。第3页/共78页电流与电流之间存在相互作用I II I+-I II I+-第4页/共78页S+磁场对运动电荷的作用电子束
2、电子束N第5页/共78页磁现象与电荷的运动有着密切的关系。运动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。电荷既能产生磁效应，也能受磁力的作用。安培分子电流假说（1822年）一切磁现象的根源是电流的存在。磁性物质一切磁现象的根源是电流的存在。磁性物质的分子中存在着的分子中存在着“分子电流分子电流”，每个分子电流相，每个分子电流相当于一个小磁针（称为当于一个小磁针（称为“基元磁铁基元磁铁”），物质的），物质的磁性取定于物质中分子电流的磁效应之总和。磁性取定于物质中分子电流的磁效应之总和。第6页/共78页运动电荷磁场运动电荷磁感应强度 ：描述磁场性质的物理量磁感应强
3、度 的方向：小磁针在磁场中，其磁北极小磁针在磁场中，其磁北极N N的指向的指向即为该处磁感应强度即为该处磁感应强度 的方向。的方向。二、二、磁感应强度磁感应强度(magnetic induction)第7页/共78页实验：+v vF F F F F F F Fmaxmaxmaxmax（1）点电荷点电荷 q 以速率以速率v v 沿不同方向运动沿不同方向运动结论：结论：1、F v3、电荷 q 沿磁场方向运动时，F=02、F大小随 v 变化4、电荷 q 垂直磁场方向运动时，Fmax（2）在垂直磁场方向改变速率在垂直磁场方向改变速率 v，改变点电荷电量，改变点电荷电量 q结论：结论：在磁场中同一点，F
4、max/qv 为一恒量，而在不同的点上，Fmax/qv 的量值不同。第8页/共78页定义磁感应强度的大小：磁感应强度的单位：磁感应强度的单位：T T 特斯拉特斯拉(Tesla)(Tesla)G G 高斯高斯(Gauss)(Gauss)第9页/共78页三、磁场的高斯定理描述空间矢量场一般方法用场线描述场的分布，磁感应线用高斯定理，环路定理揭示场的基本性质磁感应线：磁感应线：切向：该点 方向疏密：正比于该点 的大小特点闭合，或两端伸向无穷远；与载流回路互相套联；不相交。第10页/共78页第11页/共78页第12页/共78页第13页/共78页磁通量磁通量(magnetic flux)通过磁场中某给定
5、面的磁感应线的条数 d dS S单位：单位：韦伯韦伯第14页/共78页磁场的高斯定理磁场的高斯定理(Gausss law for magnetism)穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零磁场是无源场磁感应线闭合成环，无头无尾不存在磁单极。The total magnetic flux through a closed surface is always zero.第15页/共78页寻求磁单极问题1975 年：美国加州大学，休斯敦大学联合小组报告，用装有宇宙射线探测器气球在40 km 高空记录到电离性特强离子踪迹，认为是磁单极。为一次虚报。1982年，美国斯坦福大学报告，用 d=5 cm 的超导线
6、圈放入 D=20 cm 超导铅筒。由于迈斯纳效应屏蔽外磁场干扰，只有磁单极进入会引起磁通变化，运行151天，记录到一次磁通突变。改变量与狄拉克理论相符。但未能重复，为一悬案。人类对磁单极的探寻从未停止，一旦发现磁单极，将改写电磁理论。第16页/共78页 18201820年，毕奥和萨伐尔用年，毕奥和萨伐尔用实验的方法证明：长直载流导实验的方法证明：长直载流导线周围的磁感应强度与距离成线周围的磁感应强度与距离成反比与电流强度成正比。反比与电流强度成正比。拉普拉斯拉普拉斯(Laplace)(Laplace)对此结果作了分析，得出对此结果作了分析，得出了电流元产生的磁场的磁感应强度表达式。了电流元产生
7、的磁场的磁感应强度表达式。11-3 毕奥 萨伐尔定律 (Law of Biot and Savart)I IB Br第17页/共78页I IB Bd dl lr电流元基本概念：d dl l第18页/共78页P P P Pd dB BI Id dl lr r r r o为真空中的磁导率：o=4 10-7 TmA-1一、毕奥一、毕奥 萨伐尔定律萨伐尔定律第19页/共78页I Id dl l+vI IS S二、运动电荷产生的磁场二、运动电荷产生的磁场-vB Br r+vr r B第20页/共78页 2o o 1P Pad dx xx x1、载流长直导线的磁感应强度dBr 三、毕奥三、毕奥 萨伐尔定律
8、的应用萨伐尔定律的应用I第21页/共78页无限长载流导线：1=0,2=半无限长载流导线：1=/2 ,2=aB也可以用书上P.93的角度表示为：第22页/共78页2、载流圆线圈轴线上的磁感应强度。xxPRdBxdByB By y =0=0 rdB 第23页/共78页S S=R R2 2圆电流磁矩：圆电流磁矩：圆心：圆心：x=0I I圆电流轴线上磁场：第24页/共78页线密绕对称性分析：只有平行于轴线的分量平行于轴的任一直线上各点 大小相等，方向沿轴三、三、载流长直螺线管内部的磁场载流长直螺线管内部的磁场单位长度上的匝数 n，第25页/共78页长直螺线管内为均匀磁场在长直螺线管的两端点处的磁场为中
9、间的一半：第26页/共78页例：亥姆霍兹圈：两个完全相同的N匝共轴密绕短线圈，其中心间距与线圈半径R 相等，通同向平行等大电流I。求轴线上 之间任一点P的磁场。实验室用近似均匀磁场第27页/共78页11-4 安培环路定理安培环路定理(Ampre circuital theorem)无源场无源场有源场有源场保守场保守场？静电场恒定磁场第28页/共78页一、一、恒定磁场的安培环路定理恒定磁场的安培环路定理稳恒磁场中，磁感应强度 沿任意闭合路径 L 的线积分（环流）等于穿过闭合路径的电流的代数和与真空磁导率的乘积。第29页/共78页成立的条件：恒定电流的磁场场中任一闭合曲线 安培环路（规定绕向）环路
10、上各点的磁感应强度（包含空间穿过 ，不穿过 的所有电流的贡献）与 绕向成右旋关系与 L L 绕向成左旋关系规定：穿过以 为边界的任意曲面的电流的代数和第30页/共78页 以无限长直电流的磁场为例验证1)选在垂直于长直载流导线的平面内，以导线与平选在垂直于长直载流导线的平面内，以导线与平面交点面交点o为圆心，半径为为圆心，半径为 r 的圆周路径的圆周路径 L，其指向与，其指向与电流成右旋关系。电流成右旋关系。第31页/共78页 以无限长直电流的磁场为例验证若电流反向若电流反向第32页/共78页 以无限长直电流的磁场为例验证2)在垂直于导线平面内围绕电流的任意闭合路径在垂直于导线平面内围绕电流的任
11、意闭合路径第33页/共78页 以无限长直电流的磁场为例验证3)闭合路径不包围电流闭合路径不包围电流第34页/共78页 以无限长直电流的磁场为例验证4)空间存在多个长直电流时，由磁场叠加原理空间存在多个长直电流时，由磁场叠加原理第35页/共78页的环流：只与穿过环路的电流代数和有关与空间所有电流有关注意：安培环路定理揭示磁场是非保守场（涡旋场）穿过 的电流：对 和 均有贡献不穿过 的电流：对 上各点 有贡献；对 无贡献第36页/共78页在 平面内，作以 为中心、半径 的圆环 ，上各点等价：大小相等，方向沿切向 。以 为安培环路，逆时针绕向为正:+一、无限长均匀载流圆柱体 内外磁场。对称性分析：安
12、培环路定理的应用安培环路定理的应用第37页/共78页方向与 I I 指向满足右旋关系第38页/共78页思考：无限长均匀载流直圆筒 曲线？第39页/共78页解：线密绕对称性分析：只有平行于轴线的分量平行于轴的任一直线上各点 大小相等，方向沿轴二、二、无限长直载流螺线管内磁场无限长直载流螺线管内磁场单位长度上的匝数 n密绕指螺距为零第40页/共78页作矩形安培环路如图，规定：+第41页/共78页由安培环路定律：方向可由右手螺旋法定。无限长直螺线管内为均匀磁场无限长直螺线管内为均匀磁场第42页/共78页三、求螺线环内的磁感应强度三、求螺线环内的磁感应强度三、求螺线环内的磁感应强度三、求螺线环内的磁感
13、应强度 r r第43页/共78页练习：练习：无限大薄导体板均匀通过电流，求磁场分布。无限大薄导体板均匀通过电流，求磁场分布。Pd dB B1 1o od dB B2 2d dB BLdcba设：单位宽度的电流为 j 两侧为均匀磁场，两侧为均匀磁场，与板的距离无关与板的距离无关第44页/共78页 练习：如图，流出纸面的电流为 2I，流进纸面的电流为 I，则下述各式中那一个是正确的?(D )第45页/共78页11-5 带电粒子在磁场中所受 作用及其运动一一.洛仑兹力洛仑兹力1.磁场对运动电荷的作用大小：方向：垂直于（）平面特点：不改变 大小，只改变 方向。不对 做功。第46页/共78页（1）运动方
14、向与磁场方向平行 =0F=0+Bv2.带电粒子在均匀磁场中的运动匀速直线运动第47页/共78页（2）运动方向与磁场方向垂直F F BR R+v匀速圆周运动周期第48页/共78页（3）运动方向沿任意方向B匀速圆周运动与匀速直线运动的合成螺距h +v v轨迹为螺旋线第49页/共78页例例 有一均匀磁场，其磁感应强度 B=1.5 T，水平地由南指向北。如果有一个 5.0 兆电子伏特的质子沿竖直向下的方向通过磁场，问作用在质子上的力有多大？（质子质量 m=1.67 10-27 kg）解方向向东第50页/共78页三、带电粒子在非均匀磁场中的运动 磁约束应用于受控热核聚变、应用于受控热核聚变、解释北极光的
15、形成解释北极光的形成半径 R 与磁感应强度 B 成反比，可以将离子约束在磁场中较强的小范围。II磁镜：离子在两磁镜间振荡第51页/共78页1 磁聚焦近似相等均匀磁场，且 很小轴对称磁场（短线圈）磁透镜（电子显微镜）带电粒子在电场和磁场中运动的应用第52页/共78页2 质谱仪 (mass spectrograph)R R+-P P N N BN：粒子源P：速度选择器质谱分析：谱线位置：同位素质量谱线黑度：相对含量第53页/共78页3 霍耳效应(Hall effect)现象：导体中通电流I，磁场 垂直于I，在既垂直于I，又垂直于 的方向出现电势差 U 解释：方向向上，形成载流子q=-e，漂移速率第
16、54页/共78页-BxyzII+-dlU1U2 U-vFeFm第55页/共78页 霍耳系数 RH 与载流子浓度 n 成反比。在金属中，由于载流子浓度很大，因此霍耳系数很小，相应地霍耳效应也很弱。而在半导体中，载流子浓度较小，因此霍耳效应也较明显。应用：测载流子浓度测载流子电性 半导体类型测磁场 （霍耳元件）第56页/共78页一、一、安培定律安培定律安培力：1.磁场对电流元的作用 2.载流导线所受磁场力11-6 磁场对载流导线的作用第57页/共78页例例计算长为 L 的载流直导线在均匀磁场 B中所受的力。I IB 解第58页/共78页 3.载流线圈所受磁力矩设均匀磁场，矩形线圈 第59页/共78
17、页线圈的磁矩：（N 匝）I IS S第60页/共78页对于任意形状平面载流线圈 许多小矩形线圈的组合 .所以平面载流线圈在均匀磁场中不平动非均匀磁场中：不但转动，还要平动，移向磁通量大的区域。转动到 与 同向：稳定平衡若 与 反向：不稳定平衡。第61页/共78页例(P.113(P.113例 11-2)11-2)均匀磁场中弯曲导线所受磁场力其所受安培力在导线上取电流元方向均匀磁场中，弯曲载流导线所受磁场力与从起点到终点间载有同样电流的直导线所受的磁场力相同。第62页/共78页方向向右受力练习：分析下列电流在磁场中的受力情况第63页/共78页例题、求 受 磁场的作用力（略）方向如图由对称性沿 x
18、正方向第64页/共78页rx I1I2例题、无限长直载流导线通有电流 I1，在同一平面内有长为 L 的载流直导线，通有电流 I2 。求长为 L的导线所受的磁场力。dxxl解dldF第65页/共78页平行载流导线间的相互作用力 电流单位“安培”的定义I II I+-I II I+-第66页/共78页定义：真空中相距为定义：真空中相距为1m的两无限长的细导线载有相等的的两无限长的细导线载有相等的电流时，如果导线上每米长度的相互作用力为电流时，如果导线上每米长度的相互作用力为210-7N，则导线中的电流定义为则导线中的电流定义为1A。第67页/共78页11-7 磁力的功（介绍）第68页/共78页力矩
19、不为零，使角度变小（为恒量）磁力的功 =电流强度 穿过回路磁通量增量 =电流强度 载流导线切割磁力线条数推推广广第69页/共78页例题、如图所示，求：（1）线圈所受磁力矩的大小和方向。（2）线圈转过90，磁力矩所做的功。解解BI第70页/共78页线圈转过90时，磁通量的增量为第71页/共78页118，9，10 磁介质简介一 磁介质介质磁化后的附加磁感强度真空中的磁感强度 磁介质中的总磁感强度顺磁质 抗磁质铁磁质（铁、钴、镍等）（铝、氧、锰等）（铜、铋、氢等）弱磁质第72页/共78页无外磁场顺 磁 质 的 磁 化分子圆电流和磁矩有外磁场第73页/共78页 同向时 反向时无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 抗磁质内磁场抗磁质的磁化第74页/共78页二 磁化强度分子磁矩的矢量和体积元单位（安/米）抗磁质内磁场顺磁质内磁场意义 磁介质中单位体积内分子的合磁矩.第75页/共78页磁 畴无外磁场有外磁场O磁滞回线磁滞回线三 铁磁质第76页/共78页四 铁磁性材料O软磁材料O硬磁材料O矩磁铁氧体材料 实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大.第77页/共78页感谢您的观看。第78页/共78页