載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)PPT課件

1、xyOAILB此段載流導(dǎo)線受的磁力。此段載流導(dǎo)線受的磁力。在電流上任取電流元在電流上任取電流元lIdlIBBlIFdddlIdFdsinddlIBFxyIBdxIBlIBFydcosdd0d00yIBFxIBLxIBFLy0d例在均勻磁場(chǎng)中放置一任意形狀的導(dǎo)線，電流強(qiáng)度為I I求解相當(dāng)于載流直導(dǎo)線相當(dāng)于載流直導(dǎo)線F 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受的力，方向沿在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受的力，方向沿 y y 向。向。OA第1頁/共30頁例 求兩平行無限長(zhǎng)直導(dǎo)線之間的相互作用力？a2I1I1B12f解 aIB2101電流 2 處于電流 1 的磁場(chǎng)中1212BIf同時(shí)，電流 1 處于電流 2 的磁場(chǎng)中，aIIBIf2210212

2、121faII2210電流 2 中單位長(zhǎng)度上受的安培力電流 1 中單位長(zhǎng)度上受的安培力第2頁/共30頁(1) 定義定義: : 真空中通有同值電流的兩無限長(zhǎng)平行直導(dǎo)線，若真空中通有同值電流的兩無限長(zhǎng)平行直導(dǎo)線，若 相距相距 1 1 米米，單位長(zhǎng)度受力，單位長(zhǎng)度受力(2) 電流之間的磁力符合牛頓第三定律：電流之間的磁力符合牛頓第三定律：N10271221ff則電流為則電流為1 1 安培安培。(3) 分析兩電流元之間的相互作用力分析兩電流元之間的相互作用力22dlI11dlI12r312121101d4drrlIB312121122012212rrlIlI4BlIfddddd同理同理32121221

3、1021121dd4dddrrlIlIBlIf 兩電流元之間的相互作用力，一般不遵守牛頓第三定律兩電流元之間的相互作用力，一般不遵守牛頓第三定律討論21f12f第3頁/共30頁(4) 分析兩根帶電長(zhǎng)直線沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電線之間的分析兩根帶電長(zhǎng)直線沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電線之間的作用力。作用力。1v2v12a 兩帶電線上的電流為兩帶電線上的電流為111vI222vIaIIf2210a2f0m2211vv 兩帶電線單位長(zhǎng)度上的電荷之間的庫侖力兩帶電線單位長(zhǎng)度上的電荷之間的庫侖力aEfe021212emff2100vv221cvv001c在一般情況下，磁場(chǎng)力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力在一般情況下，磁場(chǎng)力遠(yuǎn)小于電

4、場(chǎng)力2102211022aavv第4頁/共30頁例 求一載流導(dǎo)線框在無限長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)中的受力和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)解 1Iaba2I1234xo121bBIf aIbI2102323bBIf aIbI4102方向向左方向向左方向向右方向向右aalBIf21222sindxIxIaad222102ln2210II24ff 整個(gè)線圈所受的合力：4321ffffF31ff 線圈向左做平動(dòng)31ff1324第5頁/共30頁CDFABF二. .磁場(chǎng)對(duì)平面載流線圈的作用B1l2lDAFBCFDCBAIsin1BIlFFBCDA（方向相反在同一直線上）（方向相反在同一直線上）2BIlFFABCD0iF（線圈無平動(dòng)）（線圈

5、無平動(dòng)）對(duì)中心的力矩為sin2sin211lFlFMCDABsin21BIl l1. 在均勻磁場(chǎng)中的剛性矩形載流線圈n（方向相反方向相反不在一條直線上）不在一條直線上）nl lnSS21BpMmnISpm令B+ +nA(B)D(C)第6頁/共30頁2. 磁場(chǎng)力的功dsinddBISMAmIBSId)cosd(mmmmIIIAmm)(d1221討論(1) 線圈若有線圈若有N 匝線圈匝線圈BpNMm(2) M 作用下，磁通量增加作用下，磁通量增加0M0穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡負(fù)號(hào)表示力矩作正功時(shí)負(fù)號(hào)表示力矩作正功時(shí) 減小減小非穩(wěn)定平衡非穩(wěn)定平衡0M(3) 非均勻磁場(chǎng)中的平面電流環(huán)非均勻磁場(chǎng)中的平面電流環(huán)0

6、iF線圈有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)線圈有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)0M第7頁/共30頁一. .洛倫茲力公式 實(shí)驗(yàn)結(jié)果qBvfsin,vBqf sinBqfv 安培力與洛倫茲力的關(guān)系ldIqsfBqNF vddBqfm vBlIF dBlnsqdvBNqv安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加9.6 帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)v第8頁/共30頁(1) 洛倫茲力始終與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛倫茲力始終與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂直，故討論對(duì)電荷不作功對(duì)電荷不作功f(2) 在一般情況下，空間中電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在在一般情況下，空間中電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在meffFBqEqvtp d/d二. .帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) BvBfqRm

7、Bq22sinvvqBmRvqBmRT22vmqBf2 粒子回轉(zhuǎn)周期與頻率情況v第9頁/共30頁 一般情況 B/vvhcos/vv sinvv帶電粒子作螺旋運(yùn)動(dòng)qBmqBmRsinvvqBmThcos2/vv 磁聚焦原理 B粒子粒子源源A Avv /vv 很小時(shí)qBmThvv2/接收接收器器 A A發(fā)散角不太大的帶電粒子束，經(jīng)過一個(gè)周期后，重新會(huì)聚v第10頁/共30頁 減少粒子的縱向前進(jìn)速度，使粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生“反射” 磁約束原理 在非均勻磁場(chǎng)中，速度方向與磁場(chǎng)不同的帶電粒子，也要作螺旋運(yùn)動(dòng)，但半徑和螺距都將不斷發(fā)生變化BqBmqBmRsinvvf/ffe磁場(chǎng)增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)半徑減少 強(qiáng)磁場(chǎng)可約束帶電粒

8、子在一根磁場(chǎng)線附近 橫向磁約束 縱向磁約束fff/fv在非均勻磁場(chǎng)中，縱向運(yùn)動(dòng)受到抑制 磁鏡效應(yīng)磁鏡磁鏡第11頁/共30頁線圈線圈B高溫等離子體高溫等離子體 磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)研究 能約束運(yùn)動(dòng)帶電粒子的磁場(chǎng)分布稱為磁鏡約束 磁瓶 地球的磁約束效應(yīng) 天然磁瓶三. .霍爾效應(yīng)18791879年 霍爾發(fā)現(xiàn)在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體板上，若垂直于板面施加一磁場(chǎng)，則板面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)微弱電勢(shì)差( (霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng))第12頁/共30頁Bqfm v橫向電場(chǎng)力: :洛倫茲力: :0)(BqEqv當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果dIBKUab受力分析dnqvlnqdIBUabnqK1BEhvlEuhabBlv

9、(霍耳系數(shù)霍耳系數(shù))SnqIvvldIBabqmfEEEqfe(方向向下方向向下)(方向向下方向向下)+第13頁/共30頁(2) 區(qū)分半導(dǎo)體材料類型區(qū)分半導(dǎo)體材料類型 霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)B+abbauu ab+bauu 0K0KIIvqN 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體vq它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有效方法它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有效方法（濃度隨雜質(zhì)、溫度等變化濃度隨雜質(zhì)、溫度等變化）B討論(1) 通過測(cè)量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度通過測(cè)量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度第14頁/共30頁四. 運(yùn)動(dòng)電荷的電磁場(chǎng)qvEB2004rr

10、qBv2004rrqErEcEBvv2001高溫導(dǎo)高溫導(dǎo)電氣體電氣體B沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分造成的沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分造成的能量損耗能量損耗可提高效率可提高效率特點(diǎn)：特點(diǎn)：磁場(chǎng)是電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(3) 磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電第15頁/共30頁一. 磁介質(zhì)及其分類1. 磁介質(zhì) 任何實(shí)物都是磁介質(zhì)0E0EEE電介質(zhì)放入外場(chǎng)0EE磁介質(zhì)放入外場(chǎng)0BrBB0r 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率 反映磁介質(zhì)對(duì)原場(chǎng)的影響程度 9.7 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性2. 磁介質(zhì)的分類順磁質(zhì)抗磁質(zhì)1r減弱原場(chǎng)0BB 1r增強(qiáng)原場(chǎng)0BB 如 鋅、銅、水銀、鉛等如 錳、鉻、鉑、氧等弱磁性物質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都非常接近于1。第16頁/共30

11、頁鐵磁質(zhì))1010(421r通常不是常數(shù)具有顯著的增強(qiáng)原磁場(chǎng)的性質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)二. 磁化機(jī)理原子中電子的軌道磁矩1. 安培分子環(huán)流的概念和方法LmePl2電子的自旋磁矩SmePs電子自旋磁矩與軌電子自旋磁矩與軌道磁矩有相同的數(shù)道磁矩有相同的數(shù)量級(jí)量級(jí)分子磁矩 所有電子磁矩的總和immiPP抗磁質(zhì)0mP無外場(chǎng)作用時(shí)，對(duì)外不顯磁性順磁質(zhì)0mP無外場(chǎng)作用時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)外也不顯磁性第17頁/共30頁0mP2. 磁介質(zhì)的磁化evmPr0BffomP電子軌道半徑不變電子軌道半徑不變)(mPmP當(dāng)外場(chǎng)方向與原子磁矩反方向時(shí)emPr0BfomPfmP)(mP當(dāng)外場(chǎng)方向與原子磁矩方向相同時(shí)第18頁/共30頁0

12、B將順磁質(zhì)放入外場(chǎng) 分子環(huán)流在外場(chǎng)作用下，產(chǎn)生取向轉(zhuǎn)動(dòng)， 磁矩將轉(zhuǎn)向外場(chǎng)方向 宏觀上產(chǎn)生附加磁場(chǎng)0B1B1B結(jié)論：在外場(chǎng)作用下，電子產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成附加的mP, 附加磁矩（也稱感應(yīng)磁矩）總是與外場(chǎng)方向B0B反，即產(chǎn)生一個(gè)與外場(chǎng)反向的附加磁場(chǎng)相 抗磁質(zhì)磁化在外場(chǎng)作用下，每個(gè)分子中的所有電子都產(chǎn)生感應(yīng)磁矩mPBB則磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)與外場(chǎng)方向相反順磁質(zhì)磁化第19頁/共30頁在外場(chǎng)作用下，分子磁矩要轉(zhuǎn)向，同時(shí)每個(gè)分子中的所有電子也都產(chǎn)生感應(yīng)磁矩。1BB21BBB則磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)1B與外場(chǎng)方向相同三. 有磁介質(zhì)的磁高斯定理0BBB磁介質(zhì)存在時(shí)，磁感應(yīng)線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線(含磁介質(zhì)

13、的磁高斯定理含磁介質(zhì)的磁高斯定理)對(duì)于任意閉合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB第20頁/共30頁四. 有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理1. 束縛電流0B以無限長(zhǎng)螺線管為例定義：磁化強(qiáng)度 VPMm 磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，反映磁介質(zhì)磁化程度越強(qiáng)順磁質(zhì)0I0ISI在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一小區(qū)域：相鄰的分子環(huán)流的方向相反在磁介質(zhì)表面處各點(diǎn)：分子環(huán)流未被抵消形成沿表面流動(dòng)的面電流SI束縛電流第21頁/共30頁VPMm i結(jié)論：介質(zhì)中磁場(chǎng)由傳導(dǎo)和束縛電流共同產(chǎn)生。順磁質(zhì)0ISIabcdiLIlB0d) (00SINI )(00abiNI nMi束縛電流密度2. 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理LLlMNIlBdd000用磁化

14、強(qiáng)度描述束縛電流項(xiàng)可證明:第22頁/共30頁000d)(NIlMBLiI0定義磁場(chǎng)強(qiáng)度MBH00dIlHL(磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理)磁介質(zhì)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿所選閉合路徑的環(huán)流等于閉合積分路徑所包圍的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。討論 束縛電流與磁化強(qiáng)度束縛電流與磁化強(qiáng)度xyzM i i設(shè)單位長(zhǎng)度上的束縛電流為設(shè)單位長(zhǎng)度上的束縛電流為沿沿Z方向磁化的介質(zhì)體元方向磁化的介質(zhì)體元第23頁/共30頁）內(nèi)LIlML( d取任意閉合回路取任意閉合回路 L，則磁化強(qiáng)度，則磁化強(qiáng)度M 沿沿L 的積分等于穿過此的積分等于穿過此積分回路圍成的面積上束縛電流強(qiáng)度的代數(shù)和。積分回路圍成的面積上束縛電流強(qiáng)度的代數(shù)和

15、。 (普遍關(guān)系式普遍關(guān)系式)ziI SIPmzyxi iVPMm則，它產(chǎn)生的磁矩則，它產(chǎn)生的磁矩nMixyzM i介質(zhì)側(cè)面上的束縛電流強(qiáng)度介質(zhì)側(cè)面上的束縛電流強(qiáng)度第24頁/共30頁(3) 對(duì)于各向同性介質(zhì)，在外磁場(chǎng)不太強(qiáng)的情況下對(duì)于各向同性介質(zhì)，在外磁場(chǎng)不太強(qiáng)的情況下HMHMmm 介質(zhì)的磁化率介質(zhì)的磁化率MHB00Hm0)1 (00BrHHBr0一定條件下，可用安培環(huán)路定理求解磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后再求解磁感應(yīng)強(qiáng)度。一定條件下，可用安培環(huán)路定理求解磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后再求解磁感應(yīng)強(qiáng)度。第25頁/共30頁一無限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線，其外包圍一層磁介質(zhì)，相對(duì)磁導(dǎo)率1r(2) 介質(zhì)內(nèi)外界面上的束縛電流密度例求解根據(jù)磁介質(zhì)

16、的安培環(huán)路定理IrHlHL2drIH2/(1) 磁介質(zhì)中的磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度r2R1RIrHH1HMrm)(rIr2) 1(rIHBrr200由磁化強(qiáng)度與束縛電流密度的關(guān)系nMi內(nèi)界面:1112) 1(RIMir外界面:222) 1(RIir1i2i第26頁/共30頁五. .鐵磁質(zhì)主要特征在外場(chǎng)中，鐵磁質(zhì)可使原磁場(chǎng)大大增強(qiáng)。撤去外磁場(chǎng)后，鐵磁質(zhì)仍能保留部分磁性。1. 磁疇 磁化微觀機(jī)理鐵磁質(zhì)中自發(fā)磁化的小區(qū)域叫磁疇，磁疇中電子的自旋磁矩整齊排列。無0B磁化方向與有0B 整個(gè)鐵磁質(zhì)的總磁矩為零同向的磁疇擴(kuò)大0B磁化方向轉(zhuǎn)向0B的方向0B使磁場(chǎng)大大增強(qiáng)外場(chǎng)撤去，被磁化的鐵磁質(zhì)受體內(nèi)雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力的阻礙，不能恢復(fù)磁化前的狀態(tài)。磁疇的磁磁疇的磁化方向化方向第27頁/共30頁2. 宏觀磁化現(xiàn)象 磁滯回線鐵磁質(zhì)中HB 不是線性關(guān)系HB HrBHoabcdef 剩磁rB矯頑力CHHBo(1) 實(shí)驗(yàn)證明：各種鐵磁質(zhì)的磁化曲線都是實(shí)驗(yàn)證明：各種鐵磁質(zhì)的磁化曲線都是“不可逆不可逆”的，的， 具有磁滯現(xiàn)象具有磁滯現(xiàn)象討論(2