穩(wěn)恒磁場(chǎng)與電磁場(chǎng)的相對(duì)性

1、第九章穩(wěn)恒磁場(chǎng)1靜電荷運(yùn)動(dòng)電荷穩(wěn)恒電流靜電場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)電場(chǎng) 磁場(chǎng) 學(xué)習(xí)方法： 類比法21-1 磁場(chǎng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度 一、磁場(chǎng)SNSNISN同極相斥異極相吸電流的磁效應(yīng)1820年奧斯特天然磁石磁現(xiàn)象3電子束NS+4 安培提出分子電流假說(shuō)：宏觀物質(zhì)內(nèi)部存在著分子電流，每個(gè)分子電流均有磁效應(yīng)，物質(zhì)的磁性就是這些分子電流對(duì)外表現(xiàn)出的磁效應(yīng)的總和。 磁性物質(zhì)產(chǎn)生磁現(xiàn)象的解釋：NS分子電流：原子、分子等微觀粒子內(nèi)電子繞核運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)形成了分子電流。 當(dāng)各分子電流取向傾向一致時(shí)，物質(zhì)便對(duì)外表現(xiàn)出磁性 。5 在磁極或電流周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁極或電流之間的相互作用是通過(guò)磁場(chǎng)傳遞的 。運(yùn)動(dòng)電荷(電流) 磁場(chǎng) 運(yùn)動(dòng)電荷(

2、電流) 二、磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁場(chǎng)中小磁針靜止時(shí)N極的指向方向（試驗(yàn)電荷q0沿此方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力為零），規(guī)定為磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 。材料1Fmax: 運(yùn)動(dòng)電荷受到的最大磁力。 61-2 畢奧薩伐爾定律一、畢奧薩伐爾定律電流元對(duì)一段載流導(dǎo)線方向判斷： 右手螺旋定則 7二、幾種載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)1. 載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)XYaP已知：真空中，建立坐標(biāo)系OXY任取電流元8統(tǒng)一積分變量：XYaP9討論1）無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線2）直導(dǎo)線延長(zhǎng)線上+方向判斷： 右手螺旋定則 10pR2. 圓型電流軸線上的磁場(chǎng)已知: R、I，求軸線上P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。建立坐標(biāo)系OXY任取電流元分析對(duì)稱性、寫出分量式11統(tǒng)一積分變量結(jié)論方向

3、： 右手螺旋定則大?。簒pR12討論1）在圓心處 I N 匝載流圓線圈（各匝半徑相同，忽略線圈厚度）： 定義：圓線圈的磁矩I132）載流圓弧，在圓心處 I 圓心角3. 載流密繞直螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)Sl14 設(shè)真空中有一長(zhǎng)為l ，半徑為R的均勻密繞直螺線管，單位長(zhǎng)度的匝數(shù)為n，所載電流為I。 .PO15討論1）若 即無(wú)限長(zhǎng)的螺線管， 則有2）半無(wú)限長(zhǎng)直螺線管的端點(diǎn)（例如，左端點(diǎn)）則有161-3 磁場(chǎng)的高斯定理一、磁感應(yīng)線（磁力線）方向：切線大?。篒直線電流的磁力線圓電流的磁力線I通電螺線管的磁力線17（1）磁感應(yīng)線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線。（2）任意兩條磁感應(yīng)線在空間不相交。（3）磁感應(yīng)線的環(huán)繞方向與

4、電流方向組成右手螺旋關(guān)系。磁感應(yīng)線的特點(diǎn)：二、磁通量穿過(guò)磁場(chǎng)中任一曲面的磁力線的條數(shù)18三、高斯定理穿過(guò)任意閉合曲面的磁通量為零物理意義：磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)，即不存在磁單極。19一、 安培環(huán)路定理 在真空中的穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的環(huán)流，等于穿過(guò)該閉合曲線的所有電流強(qiáng)度的代數(shù)和的 倍。(1)物理意義：磁場(chǎng)是非保守場(chǎng)，不能引入磁勢(shì)概念。 (2)電流取正時(shí)與環(huán)路構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。 如圖1-4 磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理20靜電場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁場(chǎng)沒(méi)有保守性，它是非保守場(chǎng)，或無(wú)勢(shì)場(chǎng)電場(chǎng)有保守性，它是保守場(chǎng)，或有勢(shì)場(chǎng)電力線起于正電荷、止于負(fù)電荷。靜電場(chǎng)是有源場(chǎng) 磁力線閉合、無(wú)自由磁荷磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)21二、安培環(huán)路定理的應(yīng)用

5、 當(dāng)場(chǎng)源分布具有對(duì)稱性時(shí)，利用安培環(huán)路定理計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。IR例1. 無(wú)限長(zhǎng)載流圓柱導(dǎo)體的磁場(chǎng)分布分析對(duì)稱性電流分布軸對(duì)稱磁場(chǎng)分布軸對(duì)稱已知：I、R電流沿軸向，在截面上均勻分布22的方向判斷如下：23IR24練習(xí)：同軸的兩筒狀導(dǎo)線通有等值反向的電流I, 求 的分布。25已知：I、n(單位長(zhǎng)度導(dǎo)線匝數(shù))分析對(duì)稱性管內(nèi)磁力線平行于管軸管外靠近管壁處磁場(chǎng)為零.例2. 長(zhǎng)直載流螺線管的磁場(chǎng)分布26.管內(nèi)：27 已知：I 、N、R1、R2 N導(dǎo)線總匝數(shù)分析對(duì)稱性磁力線分布如圖作積分回路如圖方向右手螺旋rR1R2.+.例3. 環(huán)形載流螺線管（螺繞環(huán)）的磁場(chǎng)分布28.BrO計(jì)算環(huán)流利用安培環(huán)路定理求rR

6、1R2.+.291-5 磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線的作用一、 安培定律安培力：電流元在磁場(chǎng)中受到的磁力方向判斷：右手螺旋定則載流導(dǎo)線受到的磁力：大?。?0B取電流元受力大小方向結(jié)論方向例1、均勻磁場(chǎng)中載流直導(dǎo)線所受安培力31例2、均勻磁場(chǎng)中任意形狀導(dǎo)線所受的作用力受力大小方向如圖所示建坐標(biāo)系，取分量取電流元32導(dǎo)線2單位長(zhǎng)度上所受的磁力為：二、兩平行長(zhǎng)直載流導(dǎo)線間的相互作用力a電流單位“安培”的定義： 真空中兩條載有等量電流，且相距為1米的長(zhǎng)直導(dǎo)線，當(dāng)每米長(zhǎng)度上的相互作用力為210-7N時(shí)，導(dǎo)線中的電流大小為1A。導(dǎo)線1單位長(zhǎng)度上所受的磁力為：33三、均勻磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用.34如果線圈為N匝 上式對(duì)于

7、處于均勻磁場(chǎng)中的任意形狀的平面線圈都是適用的。 35四、磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用1、洛侖茲力運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的磁場(chǎng)力36大小方向 洛侖茲力永遠(yuǎn)不做功，即洛侖茲力只能改變速度的方向，而不能改變速度的大小。 粒子在同時(shí)存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受的合力：電場(chǎng)力磁場(chǎng)力洛侖茲關(guān)系式2、 帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（自學(xué)）373、霍耳效應(yīng)厚度b,寬為a的導(dǎo)電薄片，沿x軸通有電流強(qiáng)度I，當(dāng)在y軸方向加以勻強(qiáng)磁場(chǎng)B時(shí)，在導(dǎo)電薄片兩側(cè)產(chǎn)生一電位差 ，這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。RH -霍耳系數(shù)38霍耳效應(yīng)原理 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到洛侖茲力q0+ 此時(shí)載流子將作勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí) 兩側(cè)停止電荷的繼續(xù)堆積，從而在

8、兩側(cè)建立一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差39（1）1980年，德國(guó)物理學(xué)家克里青發(fā)現(xiàn)，在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下，二維電子氣體的霍耳系數(shù)（2）1982年，美籍華人崔琦等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二維電子氣體在更強(qiáng)的磁場(chǎng)和更低的溫度下， RH的取值是量子化的，這種效應(yīng)稱為量子霍耳效應(yīng)，該成果獲得1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 這種稱為分?jǐn)?shù)量子化效應(yīng)。該成果獲1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。40霍耳效應(yīng)的應(yīng)用2、根據(jù)霍耳系數(shù)大小的測(cè)定，可以確定載流子的濃度1、確定半導(dǎo)體的類型 霍耳效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)上的許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如量測(cè)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、磁流體發(fā)電技術(shù)等。3、用霍耳元件（根據(jù)霍耳效應(yīng)制作的半導(dǎo)體元件）測(cè)磁場(chǎng)， 4、霍耳電

9、機(jī) 5、磁流體發(fā)電 411、 磁介質(zhì)的分類六、磁介質(zhì)磁介質(zhì)能與磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)磁化磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下所發(fā)生的變化（1）順磁質(zhì)（3）鐵磁質(zhì)（2）抗磁質(zhì)根據(jù) 的大小和方向可將磁介質(zhì)分為三大類 附加磁場(chǎng)磁導(dǎo)率描述不同磁介質(zhì)磁化后對(duì)原外磁場(chǎng)的影響定義:422、弱磁質(zhì)磁化的微觀機(jī)制（1）順磁質(zhì)的磁化由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子磁矩取向各不相同，整個(gè)介質(zhì)不顯磁性。分子磁矩 電子存在兩種運(yùn)動(dòng)：繞核的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)形成分子電流（等效為一個(gè)圓電流），分子電流形成的磁矩稱為分子磁矩。無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，分子磁矩不為零43 有外磁場(chǎng)時(shí)，分子磁矩要受到一個(gè)力矩的作用，使分子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向。 分子磁矩

10、產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和外磁場(chǎng)方向一致，順磁質(zhì)磁化的結(jié)果：使介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)增強(qiáng)。44（2）抗磁質(zhì)的磁化無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，分子磁矩為零在外磁場(chǎng)中，抗磁質(zhì)分子會(huì)產(chǎn)生附加磁矩外磁場(chǎng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生附加磁矩電子的附加磁矩總是削弱外磁場(chǎng)的作用?？勾判允且磺写沤橘|(zhì)共同具有的特性。總與外磁場(chǎng)方向反向453、磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)在外磁場(chǎng)中磁化后，會(huì)產(chǎn)生磁化電流 IS 。例如，外磁場(chǎng)中的順磁質(zhì)棒。ISIS46（1）磁場(chǎng)強(qiáng)度在均勻磁介質(zhì)中，定義： 介質(zhì)的磁導(dǎo)率（2）安培環(huán)路定理傳導(dǎo)電流磁化電流 磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任一閉合回路的環(huán)流，等于此閉合回路所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和 。I 的方向與回路繞向組成右手螺旋關(guān)系時(shí)，I 為正。47例1 一無(wú)限長(zhǎng)載流圓柱體，通有電流I ，設(shè)電流 I 均勻分布在整個(gè)橫截面上。柱體的磁導(dǎo)率為，柱外為真空。求：柱內(nèi)外各區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：IR48在分界面上H 連續(xù), B 不連續(xù)IR49S4、磁介質(zhì)中的高斯定理 磁場(chǎng)中，穿過(guò)任意封閉曲面的磁通量為零。磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)，磁感應(yīng)線是閉合的。 磁介質(zhì)中的高斯定理505、 鐵磁質(zhì)（1）鐵磁質(zhì)的特性 磁導(dǎo)率不是一個(gè)常量，它的值不僅決定于原 線圈中的電流，還決定于鐵磁質(zhì)磁化的歷史。 B 和H 不是線性關(guān)系。 有很大的磁導(dǎo)率。 放入線圈中時(shí)可以使磁場(chǎng)增強(qiáng)102 104倍。 有剩磁、磁飽和及磁滯