大学物理D-06稳恒磁场-PPT精品

大学物理1第6章稳恒磁场（MagneticField)大学物理2Introduction从地下到地面、从地面到太空，磁场无所不在，人类和整个自然界就是在一个范围广泛的磁场中繁衍和进化。正因为如此，现代磁学的理论和应用不仅对物理学关系巨大，对现代农业和生物学也有重要的影响。本章将阐述恒定磁场的基本理论，首先引入描述磁场的物理量——磁感应强度，然后介绍毕奥－萨伐尔定律、磁高斯定律和安培环路定律以及磁介质的性质。在此基础上介绍一些磁学的应用，大学物理3运动电荷间的相互作用磁场稳恒磁场磁感应强度毕-萨定律磁场的高斯定理安培环路定理磁场的基本性质洛仑兹力安培定律带电粒子在磁场中的运动霍耳效应磁力和磁力矩磁力的功顺磁质、抗磁质和铁磁质的磁化磁场强度介质中的安培环路定理学时：6结构框图大学物理41．理解用磁力或磁力矩定义磁感应强度的不同形式；2．掌握毕奥—萨伐尔定律，并能用于计算一些简单情况下电流的磁场分布；3．掌握磁通量、磁场中的高斯定理，并能由此说明磁场的性质；4．掌握安培环路定理，并能用于计算具有一定对称性分布的电流的磁场；5．理解磁矩的概念，会计算形状简单的载流导体在均匀磁场中或在无限长载流导线产生的非均匀磁场中所受的力以及载流平面线圈在均匀磁场中所受的力矩，并能解简单的力学问题；6．会计算带电粒子在均匀磁场中的螺旋运动。会用洛仑兹力分析霍耳效应及回旋加速器、质谱仪的工作原理。教学目的和要求大学物理5◆理解毕奥-沙伐定律，熟练掌握用毕奥-沙伐定律定律和叠加原理计算一些特殊电流的磁感应强度。◆掌握安培环路定律及应用（掌握思想，记住几种特殊电流的磁感应强度，不考虑计算磁感应强度）。◆理解洛伦兹力和安培定律。教学重点大学物理66.0恒定电流与欧姆定律的微分形式++++++IS6.0.1电流电流密度dIZenSv电流为通过截面S的电荷随时间的变化率为电子的漂移速度大小dv单位:1AA10mA-3tqIddddqZentSvd大学物理7++++IS++—IS—QuickQuiz6.1(a)(b)下图中通过两截面S的电荷数目相同，电流是否相同？大学物理8几种典型的电流分布粗细均匀的金属导体粗细不均匀的金属导线半球形接地电极附近的电流大学物理9几种典型的电流分布电阻法勘探矿藏时的电流同轴电缆中的漏电流可见，导体中不同部分电流分布不同，电流强度I不能细致反映导体中各点电流分布。大学物理10sSjIdcosdddSjSjIddddddcosdcosdQIIjZentSSSvSdjI该点正电荷运动方向j方向规定：大小规定：等于在单位时间内过该点附近垂直于正电荷运动方向的单位面积的电荷(通过垂直于电流方向的单位面积的电流）电流密度大学物理110dsSj恒定电流021IIItQtQSjisdddddSSdjSI1I2I0ddtQi若闭合曲面S内的电荷不随时间而变化，有单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷，等于此时间内闭合曲面里电荷的减少量.6.0.2电流的连续性方程恒定电流大学物理12恒定电场1）在恒定电流情况下，导体中电荷分布不随时间变化形成恒定电场；2）恒定电场与静电场具有相似性质（高斯定理和环路定理），恒定电场可引入电势的概念；3）恒定电场的存在伴随能量的转换.SSdj0dsSj恒定电流大学物理13电源电动势理工v06-电动势和非静电力4m大学物理14非静电力:能不断分离正负电荷使正电荷逆静电场力方向运动.电源：提供非静电力的装置.非静电电场强度:为单位正电荷所受的非静电力.kElklklEqlEEqWdd)(电动势的定义：单位正电荷绕闭合回路运动一周，非静电力所做的功.E+++---RIqlEqqWlkdE电动势+kE大学物理15电源的电动势和内阻EiRE**正极负极电源+_iRlElEkkdd内外E0d外lEk电源电动势大小等于将单位正电荷从负极经电源内部移至正极时非静电力所作的功.lElEklkdd内E电源电动势大学物理166.1.1稳恒磁场1.中国是磁的故乡中华民族很早就认识到了磁现象，指南针是中国古代四大发明之一，古代中国在磁的发现、发明和应用在许多方面都居于世界首位，可以说中国是磁的故乡。6.1稳恒电流的磁场大学物理17在春秋战国时期发明了最早的指示南北方向的指南器—司南。司南是利用天然磁石制成汤勺形，由其勺柄指示南方。大学物理18在北宋，先后制成了比司南先进的指南鱼和指南针。北宋的沈括在其著作《梦溪笔谈》(公元1086年)中记述了4种指南针的用法：将指南针放在指甲上的指爪法(1)，将指南针放在碗口边上的碗唇法(2)，将指南针悬挂在新蚕丝上并用蜡粘住的缕悬法(3)，将指南针横贯灯尺而浮水面的浮针法(4)。还记述了指南针并不完全指南，而是略微东。因此，沈括最早提出了磁偏角。大学物理19在未采用指南针前，航海是白昼依靠太阳和夜里依靠恒星的位置来确定方向的,天文导航受天气影响很大，而指南针及其装有指示方位的罗盘则不受天气影响.指南针发明以后，很快就在航海上得到了应用。到明朝初年，郑和率领的远航船队使用的航海图包括指南针罗盘导航的针路图和天文导航的过洋牵星图。明清两代的海船尾部已设有专放罗盘指南针的针房(图)。大学物理202.磁学的研究历程西方对磁现象的已经可以追溯到富兰克林，他发现雷电可以使钢针磁化。库仑和吉尔伯特也都做出了贡献解开电磁之间相互联系的划时代的试验是奥斯特电流磁效应的发现法拉第提出了磁场和磁感应线的概念大学物理21安培定量的解释了载流导线之间的磁相互作用,得到了安培定律，并且提出了分子环流假说，很好的解释了磁性的成因。在磁学中做出了重大贡献。II大学物理22在高技术领域，磁技术在扮演着重要的角色。磁悬浮列车就是利用磁相互作用而悬浮的。其产生磁场的磁体一般是永磁体或超导磁体或它们组合的复合磁体。动画1：磁悬浮现象动画2：磁悬浮现象动画3：超导磁悬浮大学物理23在生物磁学方面应用最成功的是核磁共振层析成像又称核磁共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和计算机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素，也即这种核素的化学元素的浓度分布图像。左图为核磁共振成像机，右图是脑瘤病人头部的CT成像和X射线成像大学物理24运动电荷(电流）运动电荷(电流）磁场4.磁感应强度（magneticinduction）的定义磁场由磁感应强度（）表示。实验发现，电荷在磁场中沿某一特定直线方向运动时不受力，此直线方向与小磁针静止时的取向一致。规定，小磁针静止时北极的指向为磁感应强度的方向。xyzo0F+v+vvvNSB3.磁场大学物理25当电荷运动方向偏离磁场方向时，磁场力开始出现，磁场力的方向垂直于正电荷运动的方向和磁场构成的平面，指向服从右手定则。vBNS+qvBmaxF洛伦兹力大学物理26当运动方向与磁场方向垂直时，磁场力达到最大，最大的磁场力和电荷电量与速率的乘积成正比。vqFmaxmaxFqv大小与无关v,qqvFBmax定义磁感应强度的单位是特斯拉（Tesla)方向：由正电荷所受力Fm的方向，按右手螺旋法则，沿小于π的角度转向正电荷运动速度V的方向，这时螺旋前进的方向便是该点B的方向。（6-1）vF大学物理27规定：曲线上每一点的切线方向就是该点的磁感强度B的方向，曲线的疏密程度表示该点的磁感强度B的大小.4.磁感应线磁感应线——磁场的定性表示磁感应线（Magneticinductionline）是法拉第提出的，用于形象的表示磁场。大学物理28大学物理29几种磁场的磁感应强度（T）种类磁感应强度种类磁感应强度脉冲星超导材料制成的磁铁大型电磁铁磁疗器核磁共振仪10810220.1～0.24×10－4～8×10－4太阳磁场地球赤道磁场地球两极磁场动物心脏动物大脑10－43×10－56×10－510－1010－12大学物理30xyzo+v+QuickQuiz6.2一正电荷在磁场中运动，已知速度v沿Ox方向，若它在磁场中受力有如下几种情况，试指出各种情况下磁感应强度的方向。（a）电荷不受力；（b）F的方向沿Oz轴方向，且此时磁场力的值最大；大学物理316.1.2毕奥-萨伐尔定律Biot-SavartLawrerdqEd204QdqrIP*lIdBdrlIdrBd电流元lId大学物理32IP*1.毕奥—萨伐尔定律(电流元在空间产生的磁场)20sindπ4drlIB30dπ4drrlIB真空磁导率270AN10π4lIdBd30dπ4drrlIBB任意载流导线在点P处的磁感强度磁感强度叠加原理rlIdrBd工v06-3301电流元磁场.（6-3）大学物理3312345678lId判断下列各点磁感强度的方向和大小.R+++1、5点：0dB3、7点：20π4ddRlIB02045sinπ4ddRlIB2、4、6、8点：30dπ4drrlIB毕奥—萨伐尔定律QuickQuiz6.3大学物理34电流电荷运动形成磁场设电流元，横截面积S，单位体积内有n个定向运动的正电荷,每个电荷电量为q，定向速度为v。lId3.运动电荷的磁场30dπ4drrlIB毕—萨定律大学物理35单位时间内通过横截面S的电量即为电流强度I:电流元在P点产生的磁感应强度qnvSI20sind4drlqnvSB设电流元内共有dN个以速度v运动的带电粒子：lnSNdd每个带电量为q的粒子以速度v通过电流元所在位置时，在P点产生的磁感应强度大小为：20sin4ddrqvNBBSjld大学物理36其方向根据右手螺旋法则，垂直、组成的平面。q为正，为的方向；q为负，与的方向相反。BrvvBBrvrqvrB垂直于纸面向外rqvB×垂直于纸面向外矢量式：302044rrvqrevqBr工v06-3302运动电荷磁场（6-5）大学物理37xxdBB=òydyBB=òdzzBB=òkBjBiBBzyx写出电流元在所求点处的磁感应强度，然后按照磁感应强度的叠加原理求出所有电流元在该点磁感应强度的矢量和。dIlr先将载流导体分割成许多电流元dIlr实际计算时要应先建立合适的坐标系，求各电流元的分量式。即电流元产生的磁场方向不同时，应先求出各分量然后再对各分量积分，dddxyzBBB4.毕奥—萨伐尔定律的应用大学物理38yxzIPCDoa*例1载流长直导线的磁场.Bd解20sindπ4drzIBCDrzIBB20sindπ4dsin/,cotaraz20sin/ddrz方向均沿x轴的负方向Bd1r221dsinπ400rIBzzd例题6-1直导线）（2104coscosπaIB（6-8）大学物理39）（210coscosπ4aI的方向沿x轴的负方向.B21dsinπ40aIB无限长载流长直导线的磁场.π021aIBπ20）（210coscosπ4aIB12PCDyxzoIB+（6-8）大学物理40IBrIBπ20电流与磁感强度成右螺旋关系半无限长载流长直导线的磁场rIBPπ40无限长载流长直导线的磁场r*PIoπ2π21IBX大学物理41求：一段圆弧圆电流在其曲率中心处的磁场。例题rRIab30d4drrlIB方向20d4dRlIB204RabIB解：IdlExample6.4-圆弧磁场RIab220RIB(6-13)大学物理42rIrIrIrIBBB44242200000032)cos(cos123