大學(xué)物理《電磁學(xué)》PPT

1、15-1 15-1 磁場磁場 磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度一、磁的基本現(xiàn)象一、磁的基本現(xiàn)象 我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國家之我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國家之一，早在公元前一，早在公元前300300百年就發(fā)現(xiàn)磁鐵吸引鐵的現(xiàn)象。百年就發(fā)現(xiàn)磁鐵吸引鐵的現(xiàn)象。在十一世紀(jì)我國已制造出指南針（司南）在十一世紀(jì)我國已制造出指南針（司南）(compass)(compass)。山海經(jīng)山海經(jīng)中有中有“山中有磁石者，必山中有磁石者，必有赤金。有赤金?！彼?jīng)注水經(jīng)注記載，秦始皇的阿房宮有記載，秦始皇的阿房宮有“北闕門北闕門”用磁石做成的，以防刺客。用磁石做成的，以防刺客。1磁現(xiàn)象的初期認(rèn)識磁現(xiàn)象的初期認(rèn)識（1

2、）同號的磁極有相互排斥力，異號的磁極有相同號的磁極有相互排斥力，異號的磁極有相互吸引力互吸引力（磁鐵間相互作用力稱為磁力）（磁鐵間相互作用力稱為磁力）（2）磁鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說）磁鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說）（3） 鐵棒可以被磁化鐵棒可以被磁化 人們最早認(rèn)識磁現(xiàn)象是從天然磁鐵開（稱人們最早認(rèn)識磁現(xiàn)象是從天然磁鐵開（稱天然磁鐵為永恒磁鐵）。天然磁鐵為永恒磁鐵）。 對其基本現(xiàn)象的認(rèn)識歸納如下：對其基本現(xiàn)象的認(rèn)識歸納如下：磁鐵間的相互作用磁鐵間的相互作用SNSN二、二、磁力、磁性的起源磁力、磁性的起源 在在1820年以前，人們對年以前，人們對磁現(xiàn)象的研究僅限于磁極磁現(xiàn)象的

3、研究僅限于磁極（magniticpole）磁極間的）磁極間的相互作用。而把磁與電分割相互作用。而把磁與電分割開來，看作彼此無關(guān)。開來，看作彼此無關(guān)。 奧斯特（奧斯特（Hans Christan Oersted，1777-1851） 丹麥物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)丹麥物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用，了電流對磁針的作用，從而導(dǎo)致了從而導(dǎo)致了1919世紀(jì)中世紀(jì)中葉電磁理論的統(tǒng)一和葉電磁理論的統(tǒng)一和發(fā)展。發(fā)展。 丹麥物理學(xué)家丹麥物理學(xué)家奧斯特奧斯特一一位康德哲學(xué)思想的信奉者，就位康德哲學(xué)思想的信奉者，就堅信：堅信：客觀世界的各種力具有客觀世界的各種力具有統(tǒng)一性。統(tǒng)一性。并開始對電與磁的統(tǒng)并開始對電與磁的統(tǒng)一性進(jìn)

4、行研究。一性進(jìn)行研究。 科學(xué)的真正突破，就在于打破思維定勢的束縛，科學(xué)的真正突破，就在于打破思維定勢的束縛，創(chuàng)建新的科學(xué)概念。創(chuàng)建新的科學(xué)概念。 1820年年 4月某天晚上，奧斯特在講課的過程中突月某天晚上，奧斯特在講課的過程中突然來了靈感，就在快要下課時，奧斯特說，讓我把導(dǎo)然來了靈感，就在快要下課時，奧斯特說，讓我把導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看線與磁針平行放置來試試看于是他毫不猶豫地在大庭廣眾面前接上了電源。于是他毫不猶豫地在大庭廣眾面前接上了電源。 他發(fā)現(xiàn)：閉合電鍵的瞬刻，通電導(dǎo)線附近的磁針?biāo)l(fā)現(xiàn)：閉合電鍵的瞬刻，通電導(dǎo)線附近的磁針微微跳動了一下！這個奧斯特日夜盼望的現(xiàn)象對停課微微跳動了一下

5、！這個奧斯特日夜盼望的現(xiàn)象對停課的人毫無影響！但奧斯特卻激動無比，他立刻中止講的人毫無影響！但奧斯特卻激動無比，他立刻中止講座回到實驗室，苦苦進(jìn)行了三個月的連續(xù)實驗研究，座回到實驗室，苦苦進(jìn)行了三個月的連續(xù)實驗研究，終于在終于在 1820年年7 月月21日日發(fā)表了題為發(fā)表了題為關(guān)于磁針上電流關(guān)于磁針上電流碰撞的實驗碰撞的實驗的論文。的論文。 這篇僅用這篇僅用 4 頁紙寫成的極其簡潔的實驗報告，向頁紙寫成的極其簡潔的實驗報告，向科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)，轟動整個歐洲。這一天科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)，轟動整個歐洲。這一天作為劃時代的日子載入史冊。作為劃時代的日子載入史冊。電磁學(xué)電磁學(xué) 就此誕生！就

6、此誕生！ 奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即引起法奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即引起法國數(shù)學(xué)家物理學(xué)家安培國數(shù)學(xué)家物理學(xué)家安培（A.M.Ampere）的注意）的注意 安培安培 如果電流激發(fā)的磁場能作用于磁如果電流激發(fā)的磁場能作用于磁性物質(zhì)，那么它也應(yīng)能作用于電流！性物質(zhì)，那么它也應(yīng)能作用于電流！他的想法是：他的想法是： 他在短短的幾個星期內(nèi)對電流的磁效應(yīng)作了系他在短短的幾個星期內(nèi)對電流的磁效應(yīng)作了系列的研究。發(fā)現(xiàn)列的研究。發(fā)現(xiàn)不僅電流對磁針有作用，而且兩個不僅電流對磁針有作用，而且兩個電流之間彼此也有作用。安培提出分子電流電流之間彼此也有作用。安培提出分子電流(molecular current)的假設(shè)的假設(shè)。 安培演示電流

7、相互作用的裝置（復(fù)制品）安培演示電流相互作用的裝置（復(fù)制品）電流與電流之間的相互作用電流與電流之間的相互作用IIFF電流與電流之間的相互作用電流與電流之間的相互作用IIFF+磁場對運動電荷的作用磁場對運動電荷的作用電子束電子束S+磁場對運動電荷的作用磁場對運動電荷的作用N電子束電子束II 思想深邃的科學(xué)家自問：磁鐵究竟是什么？如思想深邃的科學(xué)家自問：磁鐵究竟是什么？如果磁場是由電荷運動激發(fā)的，那么來自一塊磁鐵的果磁場是由電荷運動激發(fā)的，那么來自一塊磁鐵的磁場是否也可能是由于電流的的效果呢？磁場是否也可能是由于電流的的效果呢？我們得把問題引向一個更深的層次我們得把問題引向一個更深的層次安培用通電

8、螺線管很好地模擬了一個磁針：安培用通電螺線管很好地模擬了一個磁針： 從這個實驗看來，一塊磁鐵，從這個實驗看來，一塊磁鐵，如同一個永恒的環(huán)形電流。如同一個永恒的環(huán)形電流。II 安培還注意到，地球也如同一個大磁鐵，它的安培還注意到，地球也如同一個大磁鐵，它的南北極指向就如同地球上有自東向西繞行的電流。南北極指向就如同地球上有自東向西繞行的電流。安培分子環(huán)流假說安培分子環(huán)流假說天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動。天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動。分子電流分子電流電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。NSIn等效環(huán)形電流等效環(huán)形電流解釋磁現(xiàn)象解釋磁現(xiàn)象 ：（1）.天

9、然磁鐵的磁性（分子流）天然磁鐵的磁性（分子流）（2）.磁化現(xiàn)象（分子磁矩的轉(zhuǎn)向）磁化現(xiàn)象（分子磁矩的轉(zhuǎn)向）人們認(rèn)識到磁性的根源人們認(rèn)識到磁性的根源 ：電荷的運動電荷的運動 。 現(xiàn)代物理已經(jīng)充分把握，原子核外的電子繞核現(xiàn)代物理已經(jīng)充分把握，原子核外的電子繞核高速運動，同時電子還有自旋運動。核外電子的這高速運動，同時電子還有自旋運動。核外電子的這些運動整體上表現(xiàn)為分子環(huán)流，這便是物質(zhì)磁性的些運動整體上表現(xiàn)為分子環(huán)流，這便是物質(zhì)磁性的基本起源?；酒鹪?。 不過，安培的分子環(huán)流說至今還只能是一個假不過，安培的分子環(huán)流說至今還只能是一個假說。有說。有三個疑點三個疑點到現(xiàn)在還未查明：到現(xiàn)在還未查明：磁單極

10、子（磁單極子（magnetic monopole） 所謂磁單極子，就是只有所謂磁單極子，就是只有N 極或只有極或只有S 極的最極的最小磁性物質(zhì)單元。小磁性物質(zhì)單元。SNNSNSSN 從安培的假說能夠解釋為什么不存在磁單極子從安培的假說能夠解釋為什么不存在磁單極子 ( 單獨的單獨的N極或極或S 極極 ) ，這正是分子環(huán)流的結(jié)果。，這正是分子環(huán)流的結(jié)果。 但是，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一但是，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一狄拉克狄拉克從相對論從相對論性量子理論出發(fā)，預(yù)言磁單極子是應(yīng)該存在的，并性量子理論出發(fā)，預(yù)言磁單極子是應(yīng)該存在的，并且由此可以解釋電荷的量子化。且由此可以解釋電荷的量子化。 這種這種電荷電荷與與

11、磁荷磁荷的內(nèi)在聯(lián)系，從對稱性的角度看的內(nèi)在聯(lián)系，從對稱性的角度看來是十分誘人的。近年來，許多科學(xué)家都在致力于對來是十分誘人的。近年來，許多科學(xué)家都在致力于對磁單極子的探索。但是這種探索將是十分困難的，據(jù)磁單極子的探索。但是這種探索將是十分困難的，據(jù)“大統(tǒng)一大統(tǒng)一”理論，磁單極子應(yīng)該在宇宙演化的極早期理論，磁單極子應(yīng)該在宇宙演化的極早期（10-35s）的超高能狀態(tài)（）的超高能狀態(tài)（1023eV、1027K）下）下產(chǎn)生，隨著宇宙的膨脹、溫度降低而急劇相變，至今產(chǎn)生，隨著宇宙的膨脹、溫度降低而急劇相變，至今若還有殘存的話，也是極為稀少了。若還有殘存的話，也是極為稀少了。 美國斯坦福大學(xué)的一個研究小組

12、在實驗室中安置美國斯坦福大學(xué)的一個研究小組在實驗室中安置了一個超導(dǎo)鈮線圈，守株待兔似的企圖捕捉宇宙射線了一個超導(dǎo)鈮線圈，守株待兔似的企圖捕捉宇宙射線中可能存在的磁單極子從中穿過。中可能存在的磁單極子從中穿過。1982 年的一天，該年的一天，該小組突然宣布，他們記錄到一個事件，經(jīng)測定與狄拉小組突然宣布，他們記錄到一個事件，經(jīng)測定與狄拉克預(yù)言的磁單極子穿過該線圈將會引起的磁通量的跳克預(yù)言的磁單極子穿過該線圈將會引起的磁通量的跳變完全吻合，因而找到了變完全吻合，因而找到了一個一個磁單極子存在的證據(jù)！磁單極子存在的證據(jù)！這天正是西方情人節(jié)這天正是西方情人節(jié) 斯坦福大學(xué)的這個探測結(jié)果只是一個不能重現(xiàn)斯坦

13、福大學(xué)的這個探測結(jié)果只是一個不能重現(xiàn)的孤立事件，在沒有其它實驗室認(rèn)同的情況下，是的孤立事件，在沒有其它實驗室認(rèn)同的情況下，是不能作為對磁單極子的認(rèn)定結(jié)論的。不能作為對磁單極子的認(rèn)定結(jié)論的。 正當(dāng)全世界都在為人們成雙成對慶賀正當(dāng)全世界都在為人們成雙成對慶賀的時候，物理學(xué)家卻為他們找到了孤獨的的時候，物理學(xué)家卻為他們找到了孤獨的磁單極子而歡呼雀躍！磁單極子而歡呼雀躍！一位專欄作家幽默地評論道：一位專欄作家幽默地評論道：所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為運動電荷運動電荷 AA 的的磁場磁場B 的的磁場磁場產(chǎn)產(chǎn)生生作作于于用用產(chǎn)產(chǎn)生生作作于于用用運動電荷運動電荷 B+ 將一實驗電荷射入磁場，將一實驗

14、電荷射入磁場，運動電荷在磁場中運動電荷在磁場中會受到磁力作用。會受到磁力作用。對比靜電場場強的定義對比靜電場場強的定義0Fq EmFv0 時時Fm= 0，1. 磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度 的定義：的定義：B實驗表明實驗表明mFv q0時時Fm達(dá)到最大值達(dá)到最大值 20sinmFq v 三、磁感應(yīng)強度三、磁感應(yīng)強度(Magnetic Induction)( , )mFv B定義定義0sinmFBq v SI單位：單位：T（特斯拉）（特斯拉）工程單位常用高斯（工程單位常用高斯（G）41T10 G 磁感應(yīng)強度是反映磁場性質(zhì)的物理量，磁感應(yīng)強度是反映磁場性質(zhì)的物理量，與引入到磁場與引入到磁場的運動電荷無關(guān)。

15、的運動電荷無關(guān)。將將Fm= 0 時的速度方向定義為時的速度方向定義為 的方向的方向BmFvB q0寫成矢量式寫成矢量式mFqvB羅侖茲力羅侖茲力0sinmFq vB 運動電荷受到的磁場力為運動電荷受到的磁場力為mF mF yxzijkFevBB 000解：普通物理學(xué)教案例題1 ：一電子在磁場中運動，以速率一電子在磁場中運動，以速率v 通過通過 A點點求磁感應(yīng)強度求磁感應(yīng)強度410 m/svi當(dāng)當(dāng)時，測得時，測得178.01 10 NFj若若410 m/svj，一個分力，一個分力-161.39 10NzF 由由mFqvB()yzyxe v B iv B k zxyFBe v-28.69 10 T

16、zyxFe v B( , )mFv B由于由于yB 0 xyBBB22 0.1TzxBB tan0.57 資料資料原子核表面原子核表面1012T中子星表面中子星表面106T目前最強人工磁場目前最強人工磁場7104T太陽黑子內(nèi)部太陽黑子內(nèi)部0.3T太陽表面太陽表面10-2T地球表面地球表面510-5T人體人體310-10T 0302.電場與磁場的相對性電場與磁場的相對性靜止電荷靜止電荷 激發(fā)激發(fā) 靜電場靜電場運動電荷運動電荷 激發(fā)激發(fā) 電場電場 磁場磁場靜電場對電荷靜電場對電荷 q 的作用力與它的運動速度無關(guān)。的作用力與它的運動速度無關(guān)。 靜止電荷對運動電荷的作用仍滿足庫侖定律。靜止電荷對運動電

17、荷的作用仍滿足庫侖定律。不因運動而不同。實驗證實了這一點。如在示波管不因運動而不同。實驗證實了這一點。如在示波管中兩個靜止的平行帶電平板間形成靜電場，對通過中兩個靜止的平行帶電平板間形成靜電場，對通過板間電子束偏轉(zhuǎn)的實驗測量表明，作用在電子上的板間電子束偏轉(zhuǎn)的實驗測量表明，作用在電子上的力的確與電子速度無關(guān)。都用力的確與電子速度無關(guān)。都用 來計算。來計算。eFqE 電場和磁場都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷的受力電場和磁場都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷的受力情況來檢驗。那么，這兩種場之間到底有什么本質(zhì)情況來檢驗。那么，這兩種場之間到底有什么本質(zhì)的區(qū)別呢？的區(qū)別呢？ 眾所周知，眾所周知，電荷的靜止與運動都是相

18、對觀察者電荷的靜止與運動都是相對觀察者而言的而言的，我們對運動與靜止的描述依賴于所選擇的，我們對運動與靜止的描述依賴于所選擇的參照系，這樣看來，參照系，這樣看來，電場和磁場的區(qū)別，也只有相電場和磁場的區(qū)別，也只有相對意義了。對意義了。 具體地說：給定一試驗電荷，在不同的參照系具體地說：給定一試驗電荷，在不同的參照系上，測定該試驗電荷的受力情況從而辨認(rèn)其周圍空上，測定該試驗電荷的受力情況從而辨認(rèn)其周圍空間的電場和磁場，所得描述結(jié)果是不同的。間的電場和磁場，所得描述結(jié)果是不同的。 不同參照系間電場和磁場滿足不同參照系間電場和磁場滿足羅侖茲變換羅侖茲變換相相對論性關(guān)系。對論性關(guān)系。 相對論的建立將告

19、訴相對論的建立將告訴我們，電場力和磁場力是我們，電場力和磁場力是同一種性質(zhì)的力。因此，同一種性質(zhì)的力。因此，電和磁并不是相互獨立的電和磁并不是相互獨立的現(xiàn)象，必須將它們作為一現(xiàn)象，必須將它們作為一個完整的場個完整的場電磁場電磁場而結(jié)而結(jié)合在一起認(rèn)識。合在一起認(rèn)識。15.2 15.2 磁通量磁通量 磁場中的高斯定理磁場中的高斯定理1. 磁感應(yīng)線磁感應(yīng)線 用磁感應(yīng)線描述磁場的方法是：用磁感應(yīng)線描述磁場的方法是：在磁場中畫一在磁場中畫一簇曲線，曲線上每一點的切線方向簇曲線，曲線上每一點的切線方向與該點的磁場方與該點的磁場方向一致，這一簇曲線稱為磁感應(yīng)線。向一致，這一簇曲線稱為磁感應(yīng)線。方向：方向：

20、曲線上一點的切曲線上一點的切線方向和線方向和該點的磁場該點的磁場方向一致。方向一致。大?。捍笮。捍鸥袘?yīng)線的疏密反映磁場的強弱。磁感應(yīng)線的疏密反映磁場的強弱。B 通過無限小面元通過無限小面元dS 的磁感應(yīng)線數(shù)目的磁感應(yīng)線數(shù)目d m與與dS 的的比值稱為磁感應(yīng)線密度。我們規(guī)定磁場中某點的磁比值稱為磁感應(yīng)線密度。我們規(guī)定磁場中某點的磁感應(yīng)強度的值等于該點的磁感應(yīng)線密度。感應(yīng)強度的值等于該點的磁感應(yīng)線密度。dsBmdBds 性質(zhì)：性質(zhì)：磁感應(yīng)線是無頭無尾的閉合曲線，磁場中任磁感應(yīng)線是無頭無尾的閉合曲線，磁場中任 意兩條磁感應(yīng)線不相交。意兩條磁感應(yīng)線不相交。磁感應(yīng)線與電流線鉸鏈磁感應(yīng)線與電流線鉸鏈又稱磁通密度又稱磁通密度 (magnetic flux density)直線電流的磁感應(yīng)線直線電流的磁感應(yīng)線IIBBII圓電流的磁感應(yīng)線圓電流的磁感應(yīng)線通電螺線管的磁感應(yīng)線通電螺線管的磁感應(yīng)線I中子星的磁感應(yīng)線中子星的磁感應(yīng)線2. 磁通量（磁通量（magnetic flux） 通過磁場中任一面積的磁感應(yīng)線數(shù)稱為通過通過磁場中任一面積的磁感應(yīng)