大學(xué)物理 磁場(chǎng)和它的源

磁性：天然磁石或人工磁鐵吸收鐵(Fe)，

鈷(Co)，鎳(Ni)的性質(zhì)。

磁體——具有磁性的物體

永久磁體——長(zhǎng)期保持磁性的物體磁極：條形磁鐵兩端磁性最強(qiáng)的部分在水平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的條形磁鐵，在平衡時(shí)總是指向南北方向的，分別稱為磁鐵的兩極（N、S）。磁力——磁體之間的相互作用，同極相斥，異極相吸基本磁現(xiàn)象第12章磁場(chǎng)和它的源§12、1磁力與電荷的運(yùn)動(dòng)SNSN磁鐵間的相互作用SN磁性物質(zhì)1磁性物質(zhì)2磁場(chǎng)1磁場(chǎng)2+按場(chǎng)論的觀點(diǎn)：1.磁場(chǎng)2.奧斯特電流的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)（1819)科學(xué)背景：

17世紀(jì)，學(xué)者吉爾伯特、庫(kù)侖等認(rèn)為電與磁不可能有什么關(guān)系奧斯特1735年，一位商人描述：閃電使他的刀叉磁化了；1751年，富蘭克林用萊頓瓶放電的方法磁化了一根鋼針I(yè)SN電流對(duì)磁鐵的作用奧斯特電流的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)ISN電流對(duì)磁鐵的作用I電流對(duì)磁鐵的作用SNI電流對(duì)磁鐵的作用SN電流磁性物質(zhì)磁場(chǎng)按場(chǎng)論的觀點(diǎn)：奧斯特實(shí)驗(yàn)意味著電流與電流之間的相互作用FFII隨后，安培著重研究了電流對(duì)電流的作用電流與電流之間的相互作用IIFF+磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用電子束S+磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用N電子束III磁鐵究竟是什么？磁性的本質(zhì)？安培：通電螺線管模擬了一個(gè)磁針I(yè)IISN一塊磁鐵，如同一個(gè)永恒的環(huán)形電流。地球的磁場(chǎng)

脈沖星的輻射：燈塔模型

脈沖星的磁層3.安培分子環(huán)流假說(shuō)天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動(dòng)。電荷的運(yùn)動(dòng)是一切磁現(xiàn)象的根源。等效環(huán)形電流假說(shuō)：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。在磁性物質(zhì)分子中，存在著回路電流，稱分子電流，它相當(dāng)于一個(gè)基元磁鐵。若將這些分子電流定向地排列起來(lái)，宏觀上顯示出N、S極來(lái)。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。所有磁現(xiàn)象可歸納為：運(yùn)動(dòng)電荷

AA的磁場(chǎng)B的磁場(chǎng)產(chǎn)生作于用產(chǎn)生作于用運(yùn)動(dòng)電荷

B+靜電荷運(yùn)動(dòng)電荷恒

定電流靜電場(chǎng)恒定磁場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)

學(xué)習(xí)方法：類比法§12.2磁場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁現(xiàn)象1、磁鐵的現(xiàn)象磁極間存在著磁力N極與S極相互依存而不可分離

2、電流的磁現(xiàn)象3、磁的本源安培分子電流：物質(zhì)的每個(gè)分子都存在著回路電流

--分子電流結(jié)論：磁現(xiàn)象的本源是電荷的運(yùn)動(dòng)磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象的基本區(qū)別電流與磁鐵之間，以及電流與電流之間都有磁相互作用二、磁場(chǎng)1、磁場(chǎng)的概念：磁場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)電荷激發(fā)或產(chǎn)生的一種物質(zhì)。2、基本任務(wù)：用什么物理量描寫(xiě)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)的規(guī)律磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作用的力3、注意電荷間總存在庫(kù)侖作用只有運(yùn)動(dòng)電荷之間才存在磁的相互作用磁場(chǎng)磁鐵磁鐵電流電流磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)電荷單位

特斯拉+磁感強(qiáng)度大小

運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受洛侖茲力三、磁感強(qiáng)度脈沖星：表面磁場(chǎng)約為108T；某些原子核附近：104T超導(dǎo)磁體：可激發(fā)高達(dá)25T的磁場(chǎng)；大型磁鐵：可激發(fā)大于2T的恒定磁場(chǎng)；地球磁場(chǎng)：大約10－4T；室內(nèi)：10-7-10-6T人體心臟：激發(fā)的磁場(chǎng)約為3×10－10T.常見(jiàn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小§12.3畢奧—薩伐爾定律一、電流的磁場(chǎng)1、電流元的磁場(chǎng)(畢奧-薩伐爾定律)

2、討論

電流元在空間某點(diǎn)處磁場(chǎng)的大小

、和三個(gè)矢量的方向之間服從右手螺旋法則

μ0為真空的磁導(dǎo)率

對(duì)比點(diǎn)電荷的電場(chǎng)和電流元的磁場(chǎng)

磁場(chǎng)疊加原理：載流導(dǎo)線在空間中某點(diǎn)的總磁感強(qiáng)度是所有電流元在該點(diǎn)磁感強(qiáng)度的矢量疊加

電子儀器中常把等值反向電流導(dǎo)體扭繞一起

——減少激發(fā)磁場(chǎng)12345678例判斷下列各點(diǎn)磁感強(qiáng)度的方向和大小.+++1、5點(diǎn)：3、7點(diǎn)：2、4、6、8點(diǎn)：畢奧—薩伐爾定律二、畢奧-薩伐爾定律的應(yīng)用計(jì)算步驟：任選一段電流元，并標(biāo)出其到場(chǎng)點(diǎn)

P

的位矢，確定兩者的夾角求出電流元在場(chǎng)點(diǎn)P所激發(fā)的磁感強(qiáng)度建立坐標(biāo)系將在坐標(biāo)系中分解后積分XYrP已知：真空中建立坐標(biāo)系OXY任取電流元寫(xiě)出分量式dllθ大小方向+1.載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng)統(tǒng)一積分變量無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線+rP討論半無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線+rP討論直導(dǎo)線延長(zhǎng)線上無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線半無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線半無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線直導(dǎo)線延長(zhǎng)線上+討論+討論無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線半無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線直導(dǎo)線延長(zhǎng)線上I無(wú)限長(zhǎng)直線電流的磁場(chǎng)pR已知:真空中R、I求軸線上P點(diǎn)的建立坐標(biāo)系OXY任取電流元分析對(duì)稱性、寫(xiě)出分量式大小方向2.圓形電流的磁場(chǎng)36統(tǒng)一積分變量結(jié)論方向：右手螺旋法則pRR討論（2）若載流線圈有N匝，則在x=0處：（1）當(dāng)長(zhǎng)為l的一段圓弧在x=0處：I圓電流的磁場(chǎng)概念定律方法結(jié)論電場(chǎng)磁場(chǎng)類比對(duì)一段載流導(dǎo)線畢奧-薩伐爾定律1載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng)2圓形電流的磁場(chǎng)3載流直螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)真空中，半徑為R，載流密繞螺線管，電流為I，單位長(zhǎng)度的匝數(shù)為n，求管內(nèi)軸線上一點(diǎn)的磁感強(qiáng)度................pSl若螺線管為無(wú)限長(zhǎng)若P點(diǎn)處于半無(wú)限長(zhǎng)載流螺線管的一端................p管內(nèi)中部軸線附近近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。在管端口處，磁場(chǎng)等于中心處的一半。xBOII通電螺線管的磁場(chǎng)BIS12.4勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的磁場(chǎng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的本質(zhì)，就是由于帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。研究運(yùn)動(dòng)電荷的磁場(chǎng)，即研究畢奧—薩伐爾定律的微觀意義根據(jù)畢奧薩法爾定律，電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)其中電荷數(shù)密度速率截面積dl中載流子總數(shù)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)每一個(gè)以速度v

運(yùn)動(dòng)的電荷所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為：運(yùn)動(dòng)電荷的磁場(chǎng)是畢奧-薩伐爾定律的微觀表示形式，同時(shí)也揭示了微觀物質(zhì)的磁性。一、安培環(huán)路定理靜電場(chǎng)Irl1、圓形積分回路12.5安培環(huán)路定理改變電流方向磁場(chǎng)2、任意積分回路.則磁場(chǎng)環(huán)流為

環(huán)路上各點(diǎn)的磁場(chǎng)為所有電流的貢獻(xiàn)3、積分回路內(nèi)有多根載流導(dǎo)線環(huán)路上某點(diǎn)P的磁感強(qiáng)度為

⊙對(duì)一對(duì)線元來(lái)說(shuō)

環(huán)路外的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)流為零

4、回路外電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)流——在環(huán)路L

中

——在環(huán)路L外

則磁場(chǎng)環(huán)流為

環(huán)路上各點(diǎn)的磁場(chǎng)為所有電流的貢獻(xiàn)5、推廣到一般情況安培環(huán)路定理

真空中,磁感強(qiáng)度沿任意閉合環(huán)路L的線積分（環(huán)流），等于該環(huán)路所包圍的所有電流強(qiáng)度的代數(shù)和的倍。即：環(huán)路內(nèi)外電流產(chǎn)生磁感強(qiáng)度矢量和環(huán)路所包圍的電流(1)積分回路方向與電流方向呈右手螺旋關(guān)系滿足右手螺旋關(guān)系時(shí)

反之

(2)磁場(chǎng)是有旋場(chǎng)——電流是磁場(chǎng)渦旋的軸心

(3)安培環(huán)路定理只適用于閉合的載流導(dǎo)線，對(duì)于任意設(shè)想的一段載流導(dǎo)線不成立例如圖中載流直導(dǎo)線,設(shè)

則沿L的環(huán)流為:討論環(huán)路所包圍的電流由環(huán)路內(nèi)外電流產(chǎn)生由環(huán)路內(nèi)電流決定位置移動(dòng)不變不變改變靜電場(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(無(wú)磁單極）磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)IR當(dāng)場(chǎng)源分布具有高度對(duì)稱性時(shí)，利用安培環(huán)路定理計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度.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12.6利用安培環(huán)路定理求磁場(chǎng)的分布IR

★作積分環(huán)路并計(jì)算環(huán)流如圖★利用安培環(huán)路定理求IR

結(jié)論：無(wú)限長(zhǎng)載流圓柱導(dǎo)體。已知：I、R已知：I、n(單位長(zhǎng)度導(dǎo)線匝數(shù))★