2024年度《大學(xué)物理上》第七章恒定磁場(chǎng)

《大學(xué)物理上》第七章恒定磁場(chǎng)12024/3/23目錄恒定磁場(chǎng)基本概念與性質(zhì)恒定電流產(chǎn)生磁場(chǎng)恒定磁場(chǎng)中物質(zhì)性質(zhì)恒定磁場(chǎng)中能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存恒定磁場(chǎng)中力學(xué)效應(yīng)恒定磁場(chǎng)在生活、科技領(lǐng)域應(yīng)用22024/3/23恒定磁場(chǎng)基本概念與性質(zhì)0132024/3/23磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，用符號(hào)B表示，單位為特斯拉（T）。在磁場(chǎng)中某一點(diǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，大小則與該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱成正比。磁場(chǎng)磁場(chǎng)是存在于磁體周?chē)囊环N特殊物質(zhì)，它對(duì)放入其中的磁體產(chǎn)生磁力作用。磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的磁體產(chǎn)生磁力的作用。磁場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度42024/3/23為了形象地描述磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中畫(huà)出一系列有方向的曲線，這些曲線在磁場(chǎng)中的每一點(diǎn)的切線方向都表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，這樣的曲線叫做磁感線。在磁場(chǎng)中，任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向定義為該點(diǎn)的小磁針靜止時(shí)北極所指的方向。在磁體外部，磁感線從N極指向S極；在磁體內(nèi)部，磁感線從S極指向N極。磁感線磁場(chǎng)方向磁感線及磁場(chǎng)方向52024/3/23恒定磁場(chǎng)是一種無(wú)散度、有旋度的矢量場(chǎng)，它的性質(zhì)可以用麥克斯韋方程組來(lái)描述。恒定磁場(chǎng)中的磁力線是閉合的，沒(méi)有起點(diǎn)和終點(diǎn)。磁力線在空間中不相交，也不中斷。恒定磁場(chǎng)中的磁力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷和電流有作用，但對(duì)靜止電荷沒(méi)有作用。恒定磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)描述，B的大小和方向由磁場(chǎng)本身決定，與放入其中的磁體無(wú)關(guān)。恒定磁場(chǎng)性質(zhì)62024/3/23恒定電流產(chǎn)生磁場(chǎng)0272024/3/23奧斯特實(shí)驗(yàn)01首次揭示了電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象，為電磁學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。安培環(huán)路定理02描述了磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系，指出磁場(chǎng)沿任意閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該路徑所包圍面積的電流代數(shù)和的μ0倍。安培環(huán)路定理的應(yīng)用03可用來(lái)計(jì)算長(zhǎng)直導(dǎo)線、圓形載流導(dǎo)線等電流分布產(chǎn)生的磁場(chǎng)。奧斯特實(shí)驗(yàn)與安培環(huán)路定理82024/3/2301長(zhǎng)直導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布規(guī)律離導(dǎo)線越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)；離導(dǎo)線越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)越弱。02磁場(chǎng)方向與電流方向的關(guān)系根據(jù)右手螺旋定則，磁場(chǎng)方向垂直于電流方向，且符合右手螺旋方向。03長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)的計(jì)算利用安培環(huán)路定理或畢奧-薩伐爾定律可計(jì)算長(zhǎng)直導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布。長(zhǎng)直導(dǎo)線周?chē)艌?chǎng)分布92024/3/23圓形載流導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布規(guī)律01在導(dǎo)線內(nèi)部，磁場(chǎng)方向與電流方向相同；在導(dǎo)線外部，磁場(chǎng)方向與電流方向相反。02圓形載流導(dǎo)線磁場(chǎng)的計(jì)算利用安培環(huán)路定理或畢奧-薩伐爾定律可計(jì)算圓形載流導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布。03圓形載流導(dǎo)線與長(zhǎng)直導(dǎo)線的比較圓形載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布更加均勻，且在導(dǎo)線中心處磁場(chǎng)為零；而長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)在導(dǎo)線中心處最強(qiáng)。圓形載流導(dǎo)線周?chē)艌?chǎng)分布102024/3/23恒定磁場(chǎng)中物質(zhì)性質(zhì)03112024/3/23磁矩為零，磁化率為負(fù)值且絕對(duì)值很小，如Cu、Ag等金屬?？勾判源啪夭粸榱?，磁化率較大，相鄰磁矩反向排列但不等量，如Fe3O4等化合物。亞鐵磁性磁矩不為零，磁化率為正值且很小，如O2、N2等分子。順磁性磁矩不為零，磁化率很大，存在磁疇結(jié)構(gòu)和自發(fā)磁化現(xiàn)象，如Fe、Co、Ni等金屬。鐵磁性磁矩為零，磁化率較小，相鄰磁矩反向排列，如MnO等化合物。反鐵磁性0201030405物質(zhì)磁性分類(lèi)及特點(diǎn)122024/3/23磁化過(guò)程鐵磁質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部磁疇的磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，從而使鐵磁質(zhì)被磁化的過(guò)程。該過(guò)程可分為可逆的疇壁移動(dòng)和不可逆的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)階段。磁滯現(xiàn)象當(dāng)鐵磁質(zhì)被磁化到飽和狀態(tài)后，若減小外磁場(chǎng)強(qiáng)度H，則鐵磁質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿原曲線返回，而是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁滯現(xiàn)象。磁滯回線表示鐵磁質(zhì)在周期性交變磁場(chǎng)中的B-H關(guān)系曲線。該曲線所包圍的面積表示鐵磁質(zhì)在交變磁場(chǎng)中反復(fù)被磁化所消耗的能量。鐵磁質(zhì)磁化過(guò)程與磁滯現(xiàn)象132024/3/23變壓器利用鐵芯（鐵磁質(zhì)）的高導(dǎo)磁性，實(shí)現(xiàn)電壓的變換和電流的傳輸。電動(dòng)機(jī)利用通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。其中，定子通常采用鐵芯繞制線圈以產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)利用導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。其中，轉(zhuǎn)子通常采用鐵芯繞制線圈以產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。電磁鐵利用線圈通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)吸引或排斥鐵磁性物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、制動(dòng)等控制功能。鐵磁質(zhì)應(yīng)用舉例142024/3/23恒定磁場(chǎng)中能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存04152024/3/23磁場(chǎng)能量密度的定義單位體積內(nèi)的磁場(chǎng)能量。公式推導(dǎo)從磁場(chǎng)的基本定律和磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義出發(fā)，結(jié)合磁場(chǎng)中的能量守恒定律，推導(dǎo)出磁場(chǎng)能量密度的公式。公式形式磁場(chǎng)能量密度=(1/2)×磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方×磁介質(zhì)常數(shù)μ0。磁場(chǎng)能量密度公式推導(dǎo)162024/3/23磁場(chǎng)與電流相互作用當(dāng)導(dǎo)線或線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在其中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量與電能的相互轉(zhuǎn)換。洛倫茲力與安培力做功洛倫茲力和安培力是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷和電流的作用力，它們?cè)诖艌?chǎng)中做功，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。磁滯損耗和渦流損耗在鐵磁材料中，由于磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁的移動(dòng)需要消耗能量，因此會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗。同時(shí)，變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生渦流損耗。這些損耗都是磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)程。能量轉(zhuǎn)換過(guò)程分析172024/3/23計(jì)算磁場(chǎng)儲(chǔ)能的公式通過(guò)計(jì)算磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，結(jié)合磁場(chǎng)能量密度的公式，可以計(jì)算出磁場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量。計(jì)算步驟首先確定磁場(chǎng)的分布和范圍，然后計(jì)算各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最后利用磁場(chǎng)能量密度的公式進(jìn)行積分計(jì)算，得出整個(gè)磁場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量。應(yīng)用舉例在電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備中，通過(guò)計(jì)算磁場(chǎng)儲(chǔ)能可以評(píng)估設(shè)備的性能和設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，在電磁炮、磁懸浮列車(chē)等高科技應(yīng)用中，也需要對(duì)磁場(chǎng)儲(chǔ)能進(jìn)行精確的計(jì)算和控制。儲(chǔ)存能量計(jì)算方法182024/3/23恒定磁場(chǎng)中力學(xué)效應(yīng)05192024/3/23根據(jù)洛倫茲力定律，當(dāng)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到一個(gè)與電荷速度方向和磁場(chǎng)方向都垂直的力，即洛倫茲力。其大小可表示為F=qvBsinθ，其中q為電荷量，v為電荷速度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，θ為v與B之間的夾角。洛倫茲力公式推導(dǎo)洛倫茲力在粒子加速器、質(zhì)譜儀和回旋加速器等裝置中有廣泛應(yīng)用。例如，在粒子加速器中，利用洛倫茲力使帶電粒子在磁場(chǎng)中做回旋運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)電場(chǎng)加速，從而獲得高能量。應(yīng)用舉例洛倫茲力公式推導(dǎo)及應(yīng)用舉例202024/3/23霍爾效應(yīng)原理當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。其產(chǎn)生原因是由于磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體中載流子的洛倫茲力作用，使得載流子在導(dǎo)體兩側(cè)聚集形成電勢(shì)差。應(yīng)用舉例霍爾效應(yīng)在測(cè)量磁場(chǎng)、電流和載流子類(lèi)型等方面有廣泛應(yīng)用。例如，霍爾元件可用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，其輸出電勢(shì)差與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。此外，利用霍爾效應(yīng)還可以制作電流傳感器和位置傳感器等?；魻栃?yīng)原理及應(yīng)用舉例212024/3/23安培力當(dāng)載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電流和磁場(chǎng)方向都垂直的力，稱(chēng)為安培力。安培力的大小可表示為F=BILsinθ，其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，I為導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度，L為導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，θ為B與I之間的夾角。磁力矩當(dāng)磁矩在磁場(chǎng)中受到力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩使磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)力矩稱(chēng)為磁力矩。磁力矩的大小可表示為M=m×B，其中m為磁矩矢量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。其他力學(xué)效應(yīng)簡(jiǎn)介222024/3/23恒定磁場(chǎng)在生活、科技領(lǐng)域應(yīng)用06232024/3/23工作原理電磁鐵是利用恒定磁場(chǎng)產(chǎn)生磁力的裝置。當(dāng)導(dǎo)線通電時(shí)，會(huì)在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，使得鐵芯磁化，從而吸引或排斥其他鐵磁性物質(zhì)。電磁起重機(jī)利用電磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)大磁力，吸附和搬運(yùn)鋼鐵等重物。電磁鎖通過(guò)電磁鐵控制鎖舌的伸縮，實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)關(guān)。音響喇叭將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，通過(guò)電磁鐵驅(qū)動(dòng)振膜振動(dòng)發(fā)出聲音。電磁鐵工作原理及應(yīng)用舉例242024/3/23電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。在恒定磁場(chǎng)中，通電導(dǎo)體受到安培力的作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。工作原理利用直流電產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)利用交流電產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過(guò)電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。交流電機(jī)采用永磁體提供恒定磁場(chǎng)，無(wú)需外部勵(lì)磁電源。永磁電機(jī)電機(jī)工作原理簡(jiǎn)介252024/3/23