大学物理课件第七章恒定磁场精品文档70页
合集下载
07第七章恒定磁场PPT课件
教学基本要求
第七章 恒定电流与恒定磁场
一、 理解恒定电流产生的条件，理解电流密度和 电动势的概念.
二、掌握磁感应强度的概念，理解毕奥－萨伐尔 定律，能利用它计算一些简单问题中的磁感强度.
三、理解稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理. 理解用安培环路定理计算磁感强度的条件和方法.
四、理解洛伦兹力和安培力的公式 ，能分析电 荷在均匀电场和磁场中的受力和运动. 了解磁矩的概 念, 能计算简单几何形状载流导体和载流平面线圈在 均匀磁场中或在无限长载流直导体产生的非均匀磁场 中所受的力和力矩.
线，若将电压U加在该导线的两端，则单位时间内流过 导线横截面的自由电子数为____________；若导线中自 由电子数密度为n，则电子平均漂移速率为_________．
I U jS R
R L
S
US Ud 2 dq dN dN Ud 2
I
L
4L
dt
e
dt
dt
4eL
j
U RS
U
L
u U
j neu
般金属在温度不太低时，有 2 1[1（T2 T1)]
称为电阻温度系数
恒定电流流过一段均匀导线时，
U 1 2 E dl
j
dl
jdl
I
dl
S
IR
即： U IR 此式称为部分电路的欧姆定律。
电阻 R dl 横截面均匀的导体 电阻定律 R l
S
S
第七章 恒定电流与恒定磁场
例2. 有一根电阻率为，截面直径为d、长度为L的导
u⊥dt dS
+
+
+
+
+
+
dI
第七章 恒定电流与恒定磁场
一、 理解恒定电流产生的条件，理解电流密度和 电动势的概念.
二、掌握磁感应强度的概念，理解毕奥－萨伐尔 定律，能利用它计算一些简单问题中的磁感强度.
三、理解稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理. 理解用安培环路定理计算磁感强度的条件和方法.
四、理解洛伦兹力和安培力的公式 ，能分析电 荷在均匀电场和磁场中的受力和运动. 了解磁矩的概 念, 能计算简单几何形状载流导体和载流平面线圈在 均匀磁场中或在无限长载流直导体产生的非均匀磁场 中所受的力和力矩.
线，若将电压U加在该导线的两端，则单位时间内流过 导线横截面的自由电子数为____________；若导线中自 由电子数密度为n，则电子平均漂移速率为_________．
I U jS R
R L
S
US Ud 2 dq dN dN Ud 2
I
L
4L
dt
e
dt
dt
4eL
j
U RS
U
L
u U
j neu
般金属在温度不太低时，有 2 1[1（T2 T1)]
称为电阻温度系数
恒定电流流过一段均匀导线时，
U 1 2 E dl
j
dl
jdl
I
dl
S
IR
即： U IR 此式称为部分电路的欧姆定律。
电阻 R dl 横截面均匀的导体 电阻定律 R l
S
S
第七章 恒定电流与恒定磁场
例2. 有一根电阻率为，截面直径为d、长度为L的导
u⊥dt dS
+
+
+
+
+
+
dI
《恒定磁场》PPT课件
任何物质的分子都存在着圆形电流，称为分子电流。
nˆ
每个分子电流都相当于一个基本磁元体。
各基本磁元体的磁效应相叠加
永磁体
IN e
v
S
基本磁元体受磁场力作用而转向 2、磁场
磁化
图 4－ 4 分 子 电 流
运动的电荷在其周围空间激励出了磁场这种特殊的物质。
磁作用力都是通过磁场来传递的。
3、磁单极子 ①理论上预言存在，但是没有在实验中发现 ②即使存在也是极少的，不会影响现有的一般工程应用。
③洛仑兹力方程
Fq(EvB )
B 的单位： 在SI单位制中，为特斯拉（T） 高斯单位制中，为高斯（Gs )
1 特斯拉 ＝1 (牛顿·秒)/(库仑·米) 1 T＝104 Gs
5、磁感应线 ①磁感应线上任一点的切线方向为该点磁感应强度 B 的方向； ②通过垂直于的单位面积上的磁感应线的条数正比于该点 B 值的大小。
2、安培磁力定律符合牛顿第三定律
F21F12
二、毕奥----沙伐定律
1、电流回路的 B
将安培磁力定律改写为
写成微分形式
F21
l2I2dl240
l1
I1dl1R21
R231
dF21I2dl24 0
l1
I1dl1R21
R231
只与回路 l1 有关
而电流回路所受磁力可以归结为回路中运动电荷受力的结果
B
A
A
q
F
B
图4－11 磁聚焦
图4－12 磁镜
图4－13 磁瓶
三. 回旋加速器
回旋加速器的优点在于以不很高的振 荡电压对粒子不断加速而使其获极高 的动能。
设D形盒的半径为R0，则离子所能
恒定磁场ppt
恒定磁场研究的前沿进展
01
恒定磁场作为一种独特的物理场，具有无辐射、无污染、易于调控等优势，在 基础科学、应用科学和工程技术等领域具有广泛的应用前景。
02
近年来，研究者们在恒定磁场相关的物理、材料、生物医学等领域取得了许多 前沿进展，如在磁性材料研究方面，发现了多种新型磁性材料，提高了磁性材 料的性能和稳定性。
光学性质
恒定磁场可以影响物质的光学性质，如折射率、吸收光谱等。
恒定磁场对物质化学性质的影响
电子结构
恒定磁场可以影响物质的电子结构，从而影响化学键的形成 和断裂。
反应速率
恒定磁场可以影响化学反应速率，从而影响化学反应的能量 转换和物质转化。
04
恒定磁场的应用实例
恒定磁场在医学领域的应用
核磁共振成像（MRI）
恒定磁场的基本特征
恒定磁场是一种非均匀场，其 强度和方向随空间位置的变化
而变化。
恒定磁场具有旋度，因此不会 产生电场。
恒定磁场与电场不同，其强度 不与电流密度成正比，而是与 电流密度和磁导率成正比。
恒定磁场的应用场景
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁性材料制备
磁记录
利用恒定磁场可以控制磁性材料的磁性能参 数，如磁化强度、磁晶各向异性等，从而制 备高性能的磁性材料。
利用恒定磁场将人体中的氢原子磁化，通过检测这些原子核产生的信号，生 成人体内部的高分辨率图像。
磁分离技术
恒定磁场可用于分离血液中的肿瘤细胞、细菌等有害物质，提高疾病诊断和 治疗的准确性。
恒定磁场在材料科学领域的应用
磁性材料制造
恒定磁场可以用于制造高性能的磁性材料，如稀土永磁材料、铁氧体材料等。
磁记录
未来，恒定磁场的研究和应用将会有更多的创新和发 展，为人类的生产和生活带来更多的便利和效益。
大学物理第七章 恒定磁场
dr
0dI 0 dB dr 2r 2 0 R 0R B dr 2 0 2
解法2：运动点电荷的磁场
R o r
dB
0 dqv
4π r
2
dq 2 π rdr
dr
B
dB
0
2
dr
vr
0
2
R
0
dr
0R
2
§7.5 磁通量 磁场的高斯定理
i j k, 记忆：i j k i, k i j j k i j
z 0 x y
方向：垂直于 A，B 平面，右手螺旋
A
叉积的基本性质： ① a a 0; a b b a 体积 ② 混合积：( a b ) c
I
I
环形螺线管 的磁感线
二. 磁通量
m B dS
单位：Wb = T· m2 闭合曲面的磁通量：
S
B
dS
dS
m
S
B dS (外法线)
例 如图载流长直导线的电流为 I，试求 通过矩形面积的磁通量.
d2
I
dS
d1
l
dΦ BdS
§7.3 §7.4 §7.5 §7.6
磁场 磁感强度 毕奥-萨伐尔定律 磁通量 磁场的高斯定理 安培环路定理
§7.7 带电粒子在电场和磁场中的运动 §7.8 载流导线在磁场中所受的力
本章基本要求
• 理解毕奥－萨伐尔定律，能利用它 计算一些简单问题中的磁感强度。 • 理解稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理， 理解用安培环路定理计算磁感强度的条件 和方法。
大学物理恒定磁场PPT
磁场对通电导线的作用力
总结词
运动电荷在磁场中会受到洛伦兹力的作用，该力的大小与电荷的速度、电荷量以及磁场强度成正比。
详细描述
当电荷在磁场中运动时，电荷受到洛伦兹力的作用。洛伦兹力的大小与电荷的速度、电荷量以及磁场强度成正比，其方向由洛伦兹力公式确定。洛伦兹力在电场和磁场同时存在的情况下，会对电荷的运动轨迹产生影响。
总结词
磁通计、磁强计、铁磁物质、测量仪器等。
实验材料
将铁磁物质置于磁场中，使用磁通计和磁强计测量磁场的磁感应强度和磁场线分布。
实验步骤
通过测量数据可以得出磁场的分布情况，验证磁场的基本性质，如磁场线的闭合性、磁场的矢量性等。
实验结果
磁场的测量与观察实验
THANKS
感谢您的观看。
磁场可能改变数据存储介质中的信息，造成数据丢失或损坏。
磁场防护技术
为保护电子设备免受磁场干扰，需要采取相应的磁场防护技术。
磁场对电子设备的影响
利用磁感应强度传感器、磁通量计等设备，测量磁场的大小、方向和分布情况。
磁场测量技术
通过改变磁场源的电流、电压等参数，实现对磁场的控制和调节。
磁场控制技术
利用磁场在工业、医疗、军事等领域中实现各种应用，如磁悬浮技术、核磁共振成像等。
磁场对运动电荷的作用力
磁体在磁场中会受到磁力的作用，该力的大小与磁体的磁感应强度、磁体之间的距离以及磁体的体积成正比。
总结词
当两个磁体之间存在磁场时，它们之间会相互作用，产生磁力。磁力的大小与磁体的磁感应强度、磁体之间的距离以及磁体的体积成正比，其方向由库仑定律确定。磁力在磁场中起着重要的物理作用，如电磁感应、磁悬浮等。
在磁感应强度为B的磁场中，放入一个长度为L、面积为S的导体，当导体垂直于磁场方向放置时，导体受到的安培力F与B、L、S之间的关系为F=BIL。
07稳恒磁场
{
长直载流导线的磁场
NIZQ
第19页
大学物理学 恒定磁场
例、一载流长直导线，电流强度为 ，导线两端到 一载流长直导线，电流强度为I，导线两端到P 求距导线为a 点的连线与导线的夹角分别为θ1和θ2 。求距导线为 处P点的磁感应强度。 点的磁感应强度。 点的磁感应强度 解：
µo Idxsin θ dB = 2 4π r x = −acotθ
NIZQ
第16页
大学物理学 恒定磁场
毕奥-萨伐尔定律： 毕奥 萨伐尔定律： 萨伐尔定律
v dB
大小 方向
µo Idl sin θ dB = 2 4π r v v Idl ×r
真空中的磁导率： 真空中的磁导率： µo= 4 π× -7 H ·m-1 π×10 (亨利 / 米) 亨利
v v v µo Idl ×er 矢量式： 矢量式： dB = 2 4 π r
− 1
NIZQ
第27页
大学物理学 恒定磁场
三、运动电荷的磁场
电流的磁场本质是运动电荷磁场 从毕萨定律导出运动电荷的磁场
S：电流元横截面积
n：单位体积带电粒子数 ： q：每个粒子带电量 ： v：沿电流方向匀速运动 ：
I
+ +
+
+ +v +
S
v Idl v 产生的磁场： 则电流元 Idl 产生的磁场： v v v µoIdl ×r dB = 3 4π r
例、载流圆线圈半径为 ，电流强度为 。求轴线上 载流圆线圈半径为R，电流强度为I。 距圆心o为 处 点的磁感强度 点的磁感强度。 距圆心 为x处P点的磁感强度。 分析： 分析：
NIZQ
第22页
大学物理学 恒定磁场
大学物理第七章恒定磁场
问题二
在均匀磁场中，有一段长度为l的导线，导线的一端固定在x=0处，另一端在x=l处自由悬 挂。当导线受到外力作用而摆动时，求摆动的周期T是多少？
问题三
在均匀磁场中，有一段长度为l的导线，导线的一端固定在x=0处，另一端在x=l处自由悬 挂。当导线受到外力作用而摆动时，求摆动的振幅A是多少？
THANK YOU
04
磁场中的电流
电流产生的磁场
安培环路定律
描述电流产生的磁场，即磁场与电流 成正比，并与电流的环绕方向有关。
毕奥-萨伐尔定律
描述电流在其周围空间产生的磁场， 与电流的大小和距离有关。
磁场对电流的作用
洛伦兹力
描述带电粒子在磁场中受到的力，该 力垂直于粒子的运动方向和磁场方向。
霍尔效应
当电流垂直于磁场通过导体时，会在 导体两侧产生电势差，这种现象称为 霍尔效应。
在磁场中画出一系列从N极指向S 极的曲线，表示磁力作用的路径 。
磁感应强度和磁场强度
磁感应强度
描述磁场对放入其中的导体的作用力，用B表示。
磁场强度
描述磁场本身的强弱，用H表示。
恒定磁场与变化磁场
恒定磁场
磁场强度不随时间变化的磁场。
变化磁场
磁场强度随时间变化的磁场。
03
磁场中的物质
物质的磁性分类
磁化现象
当物质处于磁场中时，物质内部会产生感应磁场，感应磁场 与外磁场相互作用，使物质表现出磁性。这种现象被称为磁 化现象。
磁滞效应
当外磁场变化时，物质的磁化强度不仅与外磁场有关，还与 外磁场的历史状态有关。这种现象被称为磁滞效应。磁滞效 应是磁性材料中常见的一种现象，也是制造电磁铁和电机的 重要原理。
磁场中的能量
在均匀磁场中，有一段长度为l的导线，导线的一端固定在x=0处，另一端在x=l处自由悬 挂。当导线受到外力作用而摆动时，求摆动的周期T是多少？
问题三
在均匀磁场中，有一段长度为l的导线，导线的一端固定在x=0处，另一端在x=l处自由悬 挂。当导线受到外力作用而摆动时，求摆动的振幅A是多少？
THANK YOU
04
磁场中的电流
电流产生的磁场
安培环路定律
描述电流产生的磁场，即磁场与电流 成正比，并与电流的环绕方向有关。
毕奥-萨伐尔定律
描述电流在其周围空间产生的磁场， 与电流的大小和距离有关。
磁场对电流的作用
洛伦兹力
描述带电粒子在磁场中受到的力，该 力垂直于粒子的运动方向和磁场方向。
霍尔效应
当电流垂直于磁场通过导体时，会在 导体两侧产生电势差，这种现象称为 霍尔效应。
在磁场中画出一系列从N极指向S 极的曲线，表示磁力作用的路径 。
磁感应强度和磁场强度
磁感应强度
描述磁场对放入其中的导体的作用力，用B表示。
磁场强度
描述磁场本身的强弱，用H表示。
恒定磁场与变化磁场
恒定磁场
磁场强度不随时间变化的磁场。
变化磁场
磁场强度随时间变化的磁场。
03
磁场中的物质
物质的磁性分类
磁化现象
当物质处于磁场中时，物质内部会产生感应磁场，感应磁场 与外磁场相互作用，使物质表现出磁性。这种现象被称为磁 化现象。
磁滞效应
当外磁场变化时，物质的磁化强度不仅与外磁场有关，还与 外磁场的历史状态有关。这种现象被称为磁滞效应。磁滞效 应是磁性材料中常见的一种现象，也是制造电磁铁和电机的 重要原理。
磁场中的能量
《恒定磁场级》PPT课件
B dl
L
L (B1 B2 Bn ) dl
0 I
L内
即
B dl
L
0 I
L内
——安培环路定律
即磁场是非保守场
§7-6 安培环路定理
讨论：
Bdl L
0 I
L内
(1)电流流向与积分路径绕行方 I1 向满足右手螺旋法则时，电流
I2
为正，相反时为负
(2) I ：穿过积分回路的所有电
流的代数和
方向：正载流子运动方向
大小：通过垂直于载流子运动方向的单位面
积的电流强度
j dI
dS
dI
jdS
jdS cos
j dS
通过导体截面S I j dS S
dS
I
n
dS dS
j
§7-1 恒定电流的基本概念
通过dS的电流 dI qnvdS
j dI qnv
对正载流子
j
qnv
dS
对电子
j
N
I
A
N
S
B 电流可对磁针施
S
加作用力
§7-3 磁场 磁感强
实验二(安培)
N
F
I
S
I
N
S
磁铁会对电流 施加作用力
§7-3 磁场 磁感强
实验三(安培)
相互吸引
相互排斥
§7-3 磁场 磁感强
载流导线之间有相互作用力
§7-3 磁场 磁感强
2. 安培分子电流假说
• 安培分子电流观点：物质的每个分子都存 在着回路电流——分子电流
L EK dl
——非静电场是一个非保守性场 讨论： • 电动势和电势是两个不同的物理量
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
静电力欲使正电荷从高电位到低电位。 非静电力欲使正电荷从低电势到高电势。 电源实际上把其他形式的能量转换为电能的装置。
电源内部电流从负极板到正极板叫内电路。 电源外部电流从正极板到负极板叫外电路。
➢ 电动势
+–
定义：在电源内部，单位正电荷从负极到正极的过程
中，非静电力所作的功称为电动势 。
W非 q
规定 的方向由负极板经内电路指向正极板，即正电
荷运动的方向。 （ 但是电动势是标量）
单位：焦耳/库仑=（伏特）
常常把非静电力的作用看成是一种非静电场的作用， 以 E非 表示非静电场的强度。
它定义为单位正电荷所受到的非静电力，即 F非qE非
在电源内部，电荷 q 从负极到正极，非静电力作的功
W非qE非dl
恒定电流（直流电）： 导体中通过任一截面的电流强度不随时间变化
（I = 恒量）。
电流强度的方向：导体中正电荷的流向。
维持稳定电流的条件是在导体内部建立稳定电场
产生恒定电场的电荷分布必须不随时间变化。
结论： 恒定电场和静电场相同，也遵守静电场 的高斯定理和环路定理。
➢ 电流密度 定义：某点的电流密度
j
dI d S
ev
大小：通过垂直于该点正电荷运动方向的单位面积 上的电流强度。
方向：该点正电荷定向运动的方向。
➢
电流密度和电流强度的关系
dI
dS
j
d S
dIjdS jdScos jdS
对于有限大的面积 S: IdIjds
S
S
即电流强度等于电流密度的通量。
➢ 电流和电流密度与微观量的关系
q — 载流子电荷
4 π r0
0
2
π 2
在直线延长线上
B0
例2 载流圆线圈在其轴线上的磁场分布。
x 分析：磁场方向只有沿轴的分量，
垂直于轴的分量和为零。
dB
p
Bx dBcos
x r dB
0I
4πr2
dl;
cos
R r
代入以上积分：
Bx
0IR
4πr3
dl
0ห้องสมุดไป่ตู้2I
2r 3
7-1 恒定电流 电动势
➢ 恒定电流和恒定磁场 电流：大量电荷的定向运动。
形成电流的两个基本条件： ⑴ 导体中存在自由电荷；
SS
⑵ 导体中要维持一定的电场。
载流子：导体中承载电荷的粒子。
电流强度（I）：单位时间内通过导体任一横截面 的电量 。
I d q 单位：安培 1A1Cs1 dt
1A 130mA 160μA
1820年 4 月 ， 丹 麦 物 理 学家奥斯特发现了小磁针在 通电导线周围受到磁力作用 而发生偏转。
实验发现： 磁铁对载流导线、载流导线之
间或载流线圈之间也有相互作用。
结论：磁力是运动电荷之间相互作用的 表现。
电流：电荷的定向移动。 永磁体：磁力也是运动电荷之间相互作用的表现。
1821年，安培提出了关于物质磁性的本质假说：
2. 垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感 应强度B的大小。
B
条形磁铁周围的磁感应线
直线电流的磁感应线
磁感应线为一组环 绕电流的闭合曲线。
圆电流的磁感应线
I
通电螺线管的磁感应线
磁感应线的特点：
1、磁感应线是连续的，不会相交。 2、磁感应线是围绕电流的一组闭合曲线，没有起 点，没有终点。
7-3 毕奥-萨伐尔定律
➢ 毕奥-萨伐尔定律
表述：电流元 Idl 在空间P点产生的磁场 dB为：
dB 0
4π
Idler
r2
在国际单位制中
04π17 0(N/A 2)
dB
p
Idl r
称为真空磁导率。
➢ 叠加原理：给出任一电流产生的磁场的分布。
B LdB L04Iπ dlr2er
dB
I
dl
B 0I 4πr0
2 1
s
ind
0I
4πr0
(co1scos2)
磁感应强度 B的方向，与电流成右手螺旋关系，拇指
表示电流方向，四指给出磁场方向。
B4π0rI0(co1scos2)
B
特殊情况：
（1）无限长直线：当 1 0 , 2 π 时，
BI
B 0I
2 π r0
（2）半无限长直线：1
B 0I
一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分子中 存在回路电流，称为分子电流。分子电流相当于基 元磁铁，物质对外显示出磁性，取决于物质中分子 电流对外界的磁效应的总和。
➢ 磁场和磁感应强度
运动电荷
磁场
运动电荷
稳定磁场：磁场分布不会随时间发生变化，一般可 由恒定电流激发而在电流周围空间产生。
反映磁场性质的物理量：磁感应强度 B
实验结果：
1. 在磁场中同一场点，Fmax/q0v 为一恒量； 2. 在磁场中不同场点，Fmax/q0v 的量值不同。 定义磁感应强度 B的大小：
B Fmax q0v
国际单位：特斯拉（T）
与速度有关的力（磁场力又称为洛伦兹力）：
FmqvB
➢ 磁感应线
磁感应线（B线）： 1. 磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁感应 强度的方向一致。
r
p
毕-萨定律 + 叠加原理
原则上可以求得 任意电流的磁场
例1 直线电流的磁场。 分析：在直线电流上取电流元
Idl
各电流元产生的磁场方向相同，
磁场方向垂直纸面向里。
dB 0
4π
Idler
r2
B
0Idlsin
L 4πr2
I 2
dl l r
O r0 B
1
r r0
sin
lr0cot
dl
r0d sin2
代入电动势内的电定路义式，
W非 非静q 电力
得
E非dl
……电动势的 另一定义式
7-2 磁场 磁感应强度
➢ 磁的基本现象 永磁体的性质：
（1）具有磁性，能吸引铁、 钴、镍等物质。
司南勺
（2）具有磁极，分磁北极N和磁南极S。
（3）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸。
（4）磁极不能单独存在。
vdt j q
v
载流子定向移动速度
dS=1
n— 载流子的浓度
I
dIqndSvdt dt
qndvS
j
j
dI
qnv
j nqv
dS
➢ 电源和电动势
如何才能形成恒定电流呢？
靠静电力是不可能的。
i
在导体中有稳恒电流流动不能单 靠静电场。
VA VB
提供非静电力的装置就是电源，如化学电池、硅 （硒）太阳能电池，发电机等。
磁感应强度 B 的方向：
小磁针在场点处时其N 极的指向。
实验：
（1）点电荷q0以同一速 率v沿不同方向运动。
F
实验结果：
q0 B v
1.
2.
F F 的 v 大 v 而 小变 随化
3. 电荷q0沿磁场方向运动时，F0
4. 电荷q0垂直磁场方向运动时，FFmax
（2）在垂直于磁场方向改变运动电荷的速率v，改变 点电荷的电量q0。