穩(wěn)恒磁場(chǎng)-精品課件

1、,第十三章,穩(wěn)恒磁場(chǎng),本章教學(xué)內(nèi)容,,第十三章 穩(wěn)恒磁場(chǎng),,§13- 3 畢奧-薩伐爾定律,§13- 2 磁場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度,§13-1 恒定電流與電動(dòng)勢(shì),§13- 4 磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理,§13-5 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用,§13-6 磁場(chǎng)對(duì)載流體的作用,本章教學(xué)基本要求：掌握磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念。熟練應(yīng)用畢奧—薩伐爾定律和磁場(chǎng)疊加原理計(jì)算簡(jiǎn)單形狀載流導(dǎo)線的磁感

2、應(yīng)強(qiáng)度。二 理解磁場(chǎng)高斯定理和安培環(huán)路定理，理解用安培環(huán)路定理計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度的條件和方法。三 理解洛倫茲力公式。能分析點(diǎn)電荷在均勻電磁場(chǎng)中的受力和運(yùn)動(dòng)。四 理解安培定律，能計(jì)算簡(jiǎn)單幾何形狀載流導(dǎo)線和載流平面線圈在均勻磁場(chǎng)中或在無(wú)限長(zhǎng)直流載導(dǎo)線產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)中所受的力和力矩。,第13章 電磁感應(yīng),靜電荷,運(yùn)動(dòng)電荷,穩(wěn)恒電流,一、恒定電流和恒定電場(chǎng),電流 ：大量電荷的定向運(yùn)動(dòng)。,⑴ 導(dǎo)體中存在自由電荷；,形成電流的兩

3、個(gè)基本條件：,⑵ 導(dǎo)體中要維持一定的電場(chǎng)。,載流子：導(dǎo)體內(nèi)形成電流時(shí)，攜帶電荷的粒子如電子、空穴、正負(fù)離子，稱為載流子。,13-1 恒定電流 電動(dòng)勢(shì),電流（I）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體任一橫截面的電荷 。,單位：安培,導(dǎo)體中通過(guò)任一截面的電流不隨時(shí)間變化(I =恒量),恒定電流（直流電）：,電流的方向：導(dǎo)體中正電荷的流向。,產(chǎn)生恒定電場(chǎng)的電荷分布必須不隨時(shí)間變化。,電流強(qiáng)度只能從整體上反映導(dǎo)體內(nèi)電流的大小。當(dāng)遇到電流在粗細(xì)不均勻的

4、導(dǎo)線或大塊導(dǎo)體中流動(dòng)的情況時(shí)，導(dǎo)體的不同部分電流的大小和方向都可能不一樣。有必要引入電流密度矢量。,載流子 濃度n ；,載流子電荷 q ；,載流子漂移速度,電流密度矢量：,,通過(guò)任意曲面的電流 ：,,單位：,電流密度：導(dǎo)體中單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于電流方向單位面積的電荷為導(dǎo)體中某點(diǎn)處電流密度 的大小， 的方向?yàn)樵擖c(diǎn)正電荷定向漂移的方向。,二、電流密度,三、電動(dòng)勢(shì),非靜電力： 能把正電荷從電勢(shì)較低點(diǎn)(如電源負(fù)極板)送到電勢(shì)較高點(diǎn)(如

5、電源正極板)的作用力稱為非靜電力，記作Fk。,電源：提供非靜電力的裝置,靜電力欲使正電荷從高電位到低電位。,非靜電力欲使正電荷從低電位到高電位。,非靜電場(chǎng)強(qiáng)：,單位正電荷所受到的非靜電力,方向：自負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部到正極的方向?yàn)檎较颉?電動(dòng)勢(shì)描述電路中非靜電力做功本領(lǐng)電勢(shì)差描述電路中靜電力做功,單位：V,電動(dòng)勢(shì)?： 把單位正電荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極時(shí)，電源中非靜電力所做的功。即,故有：,一、基本磁現(xiàn)象,司南勺,（1）具有磁性，能吸引

6、鐵、鈷、鎳等物質(zhì)。,（2）具有磁極，分磁北極N和磁南極S。,（3）磁極之間存在相互作用，同性相斥，異性相吸。,（4）磁極不能單獨(dú)存在。,永磁體的性質(zhì)：,13-2 磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度,天然磁石,地球是一個(gè)巨大的永磁體。,電流的磁效應(yīng),1820年4月，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特(H.C.Oersted，1777－1851）發(fā)現(xiàn)了小磁針在通電導(dǎo)線周圍受到磁力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。,磁鐵對(duì)載流導(dǎo)線、載流導(dǎo)線之間或載流線圈之間也有相互作用。,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：,

7、磁現(xiàn)象與電荷的運(yùn)動(dòng)有著密切的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)電荷既能產(chǎn)生磁效應(yīng)，也能受磁力的作用。,結(jié)論：,,天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動(dòng)。,分子電流,電荷的運(yùn)動(dòng)是一切磁現(xiàn)象的根源。,安培的磁性本質(zhì)假說(shuō)：,運(yùn)動(dòng)電荷,磁場(chǎng),運(yùn)動(dòng)電荷,磁場(chǎng)對(duì)外的重要表現(xiàn)為：,1. 磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)入場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電荷或載流導(dǎo)體有磁力作用,2. 載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，磁力將對(duì)載流導(dǎo)體作功，表明磁場(chǎng)具有能量。,二、磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度,反映磁場(chǎng)性質(zhì)的物理量：磁感應(yīng)強(qiáng)度,1、實(shí)驗(yàn)：,

8、設(shè)帶電量為q，速度為v的運(yùn)動(dòng)試探電荷處于磁場(chǎng)中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：,當(dāng)電荷沿此方向或相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受到的磁力為零，與電荷本身性質(zhì)無(wú)關(guān)；,P,（1）在磁場(chǎng)中的任一點(diǎn)(如：P點(diǎn))處都存在一個(gè)特定方向：,但磁力的方向卻總是與電荷運(yùn)動(dòng)方向 垂直，且垂直于上述特定方向。,P,（2）當(dāng)運(yùn)動(dòng)試探電荷以同一速率v沿不同方向通過(guò)磁場(chǎng)中某點(diǎn) P時(shí)，電荷所受磁力的大小是不同的，大小正比于qv的乘積。,B,F,（3）在磁場(chǎng)中的P點(diǎn)處，電荷沿與上述特定方向垂直的

9、方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的磁力最大(記為Fmax)，此時(shí)， 、 三個(gè)矢量相互垂直。且滿足右手螺旋關(guān)系,實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，F(xiàn)max與qv的乘積成正比， 是與q 、v無(wú)關(guān)的確定值。,由于,2. 磁感應(yīng)強(qiáng)度 的定義,,方向：右手螺旋法則,大?。?單位：特斯拉（T） 高斯（Gs）,,一、磁感應(yīng)線 (磁力線或 線),方向：磁力線上任一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn) 處電磁感應(yīng)強(qiáng)度方

10、向一致,大?。?為形象地描述空間中磁場(chǎng)的分布而引入的曲線。,磁力線密度：在與磁力線垂直的單位面積上 穿過(guò)的磁力線數(shù)目,13-3 磁場(chǎng)的高斯定理,條形磁鐵周圍的磁感應(yīng)線,直線電流的磁力線,磁感應(yīng)線為一組環(huán)繞電流的閉合曲線。,圓電流的磁力線,直線電流的磁力線,圓電流的磁力線,通電螺線管的磁力線,,,1、每一條磁力線都是環(huán)繞電流的閉合曲線。,3、任意兩條磁力線在空間不相交。,4、磁力線的環(huán)繞方向與電流方向之間可

11、用右手定則表示,2、磁力線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合回線。,二、磁通量,磁通量Φm：穿過(guò)磁場(chǎng)中任一曲面的磁感應(yīng)線的條數(shù),單位：SI制 Wb（韋伯）,,,,,,,勻強(qiáng)磁場(chǎng),非勻強(qiáng)磁場(chǎng),三、 磁場(chǎng)中的高斯定理,穿過(guò)任意閉合曲面的磁通量為零,對(duì)于閉合曲面，常取向外指向?yàn)檎ㄏ?，向?nèi)為負(fù)。,磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng),真空中,,課堂練習(xí),13-4 畢奧-薩伐爾定律,大小:,矢量式：,一、電流元的磁場(chǎng),一段載流導(dǎo)線在任意場(chǎng)點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度為:,其中真空磁導(dǎo)

12、率：,說(shuō)明:畢奧-薩伐爾定律是實(shí)驗(yàn)定律，以一些簡(jiǎn)單的典型的載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)為基礎(chǔ)，經(jīng)分析、歸納出的定律，而不是由電流元直接得出的，實(shí)際上不可能得到單獨(dú)的電流元。,磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理,二、運(yùn)動(dòng)電荷的磁場(chǎng),電流,電荷定向運(yùn)動(dòng),,電流元,載流子總數(shù),其中,運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng),,類比項(xiàng),靜磁場(chǎng),靜電場(chǎng),描述場(chǎng)的物理量,磁感應(yīng)強(qiáng)度,電場(chǎng)強(qiáng)度,基元,電流元,點(diǎn)電荷,強(qiáng)度公式,疊加原理,課堂練習(xí)：判斷下列各點(diǎn)磁感強(qiáng)度的方向和大小,1、5 點(diǎn) ：

13、,3、7點(diǎn) ：,2、4、6、8 點(diǎn) ：,三、畢奧-薩伐爾定律的應(yīng)用舉例,利用畢奧-薩伐爾定律和場(chǎng)疊加原理，原則上可以求解任意形狀載流導(dǎo)體在其周圍空間產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,1、取電流元 ，根據(jù)畢-薩定律確定 ，并利用右手螺旋法則確定 的方向；2、將矢量積分變?yōu)闃?biāo)量積分 若 方向相同，可直接積分 若 方向不同，選取適當(dāng)坐標(biāo)，對(duì)各分量積分3、統(tǒng)一積分變量積分,求解磁感應(yīng)強(qiáng)度的基本步驟:,已知：I、θ1、

14、θ2、a,建立坐標(biāo)系OXY,任取電流元,大小,方向,統(tǒng)一積分變量,1. 載流長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng),方向：垂直紙面向內(nèi),無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng):,討論,直導(dǎo)線延長(zhǎng)線上點(diǎn)的磁場(chǎng):,,,半無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng):,2. 圓形電流軸線上的磁場(chǎng),已知: R、I，求軸線上P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,,大小,方向：,分析對(duì)稱性,寫出分量式:,,,方向：右手螺旋法則,,2. 圓心角 載流圓弧中心處：,結(jié)論：,右手螺旋關(guān)系,1.x=0，載流圓環(huán)中心處：,3. x&g

15、t;>R的場(chǎng)點(diǎn)P處：,,? N 匝環(huán)電流的磁矩：,? 環(huán)電流的磁感應(yīng)強(qiáng)度：,磁偶極子,磁偶極磁場(chǎng)：圓電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。,? 圓電流的磁矩為:,載流螺線管半徑為R ,總長(zhǎng)度為l ,單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為 n ,通有電流為I 。,長(zhǎng)度為dx 內(nèi)的各匝圓線圈的總效果，是一匝圓電流線圈的 ndx 倍，即相當(dāng)于一個(gè)電流強(qiáng)度為Indx的圓電流。,3. 載流長(zhǎng)直螺線管軸線上的磁場(chǎng),,討論,?無(wú)限長(zhǎng)載流直螺線管內(nèi)軸線上的磁場(chǎng):,在管端口處，磁場(chǎng)等于中心

16、處的一半,?半無(wú)限長(zhǎng)載流直螺線管一端的磁場(chǎng):,下圖給出長(zhǎng)直螺線管內(nèi)軸線上磁感強(qiáng)度的分布.,從圖可以看出，密繞載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)軸線中部附近的磁場(chǎng)完全可以視作均勻磁場(chǎng)。,例、兩無(wú)限長(zhǎng)平行載流直導(dǎo)線,解：I1、I2在A點(diǎn)的磁場(chǎng),課堂練習(xí)：一正方形載流線圈邊長(zhǎng)為 b,通有電流為 l，求正方形中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B。,解：O點(diǎn)的 B 是由四條載流邊分別產(chǎn)生的，它們大小、方向相同，,練習(xí),,,例：均勻帶電圓環(huán),求圓心處的,解：,帶電體轉(zhuǎn)動(dòng)，形成運(yùn)流電