磁的基本现象和基本规律

第二章恒磁场§1磁的基本现象和基本规律§2磁感应强度毕奥–萨伐尔定律§3安培环路定理§4磁场的“高斯定理”磁矢势§5磁场对载流导线的作用§6带电粒子在磁场中的运动21、掌握磁感强度的概念2、能用毕奥--萨伐尔定律计算简单电流的磁场分布3、理解和掌握磁场的高斯定理及安培环路定理4、掌握洛仑兹公式教学要求3一、磁的库仑定律二、电流的磁效应三、安培定律四、电流的单位§2.1磁的基本现象与基本规律4早期认识：我国在公元前六、七世纪古书中就有记载。早期应用：司南勺、指南针磁石：天然磁铁矿石四氧化三铁磁极：南极S、北极N指南针磁极相互作用：同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引1.1、磁的基本现象5磁库仑定律：磁场强度：磁场的性质•高斯定理：•环路定理：磁势与磁场强度的关系：02210ˆ41rrqquFmm0mqFHSmSquSdH010LldHmUH把电荷之间的相互作用与磁极之间的相互作用类比，假入存在“磁荷”（qm）270/104AN6磁偶极子的磁势：磁偶极层：磁偶极子在外磁场中的受力：至今未找到磁单极………200ˆ41rrpuUmm04uHmHpLm：磁偶极矩mmpql7•奥斯特实验及其意义•相关实验•研究课题奥斯特实验1.2电流的磁效应在历史上很长一段时期里，磁学和电学的研究一直彼此独立地发展着，人们曾认为“磁”与“电”是两类截然分开的现象。直到1820年奥斯特发表了他的实验之后——电与磁联系在一起。8奥斯特实验•1820年7月磁针在导线的下面平行放置AB的电流，从上往下看，磁针逆时针偏转BA的电流，从上往下看，磁针顺时针偏转9奥斯特实验表明长直载流导线使与之平行放置的磁针受力偏转——电流的磁效应磁针是在水平面内偏转的——横向力突破了非接触物体之间只存在有心力的观念——拓宽了作用力的类型意义:揭示了电现象与磁现象的联系宣告电磁学作为一个统一学科诞生历史性的突破此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮10磁铁对电流的作用通电导线受马蹄形磁铁作用而运动相关实验11电流与电流之间的相互作用力电流方向相同时,相互吸引;电流方向相反时,相互排斥;相关实验12载流线圈的行为螺线管与磁铁相互作用时显示出N极和S极相关实验13确定载流螺线管极性实验表明载流螺线管相当于磁棒，螺线管的极性与电流成右手螺旋关系相关实验右手螺旋法则：用右手握住螺线管，弯曲的四指沿电流回绕方向，将拇指伸直，拇指指向的方向就是螺线管的北极14一系列实验表明磁铁————磁铁电流————电流都存在相互作用15研究课题毕奥－萨筏尔的研究课题安培的研究课题电流产生磁的逆效应电、磁相互作用的传递问题毕奥－萨筏尔的研究课题寻找电流元对磁极作用力的定量规律认为电流对磁极的作用力是自然界的基本力受Oester横向力的影响，认为每一个电流元对磁极的作用力也垂直于导线与磁极构成的平面困难是无孤立的电流元关键是找到几何关系Idldf把电流分割成许多电流元还和几何因素如有关,r即解决了电流产生磁场的规律（见下节）18安培的研究课题问题安培提出”磁铁和电流在本源上是否是一致的?”安培认为：磁现象的本质是电流物质的磁性来源于“分子”电流19安培的“分子”环流假说所谓“分子”，是指构成物质的基元，当时对物质结构和分子、原子的认识还很肤浅每个分子都有电流环绕着，当分子环流定向排列时，在宏观上就显示出N和S极磁化可视为使物质中的分子电流取向一致20以“分子电流”取代磁荷——能解释磁棒与载流螺线管的等效性可将种种磁相互作用归结为电流之间的相互作用提出寻找任意两个电流元之间作用力的定量规律——即可解决磁相互作用的问题21困难同样是无孤立的电流元两电流元及两者连线三者不共面涉及的几何因素更多，难度增大安培精心设计了四个示零实验来解决这些困难22无定向秤：在均匀磁场中（地磁场）不受力和力矩，可以随遇平衡；但对于非均匀磁场将会作出反应。实验一：用对折导线，在其中通以大小相等、方向相反的电流．把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反应结果：无定向称不动说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向数学表达：成线性关系与221112dl、IdlIFd23实验二：用载流曲折线对无定向秤作用，结果与载流直导线的作用一样说明电流元具有矢量性,表为2211ldIldI、实验三：装置如图只允许圆弧形导体沿其切线方向运动而不允许圆弧形导体沿着与其垂直的方向运动结果：圆弧导体不动说明：作用在电流元上的力是与它垂直的10212212lldFdldFd或实验四圆线圈A、B、、C线度之比为1/n：1：n，A与B的距离以及线圈B与C的距离比为1：n，A与C固定，并串联，其中电流相同，线圈B可以活动，通以另一电流结果：B不动结论：所有几何线度增加同一倍数时，作用力的大小不变212221112rdlIdlIdF才能保持不变增加同一倍数当121221dFrdldl，、、安培给出的公式根据安培的假设：两个电流元之间的相互作用沿它们的联线，相当于承认假设的目的是期望电流元之间相互作用力满足牛顿第三定律，由此推出的公式][1212rFd内含各项都是标量两者方向相反实际没有孤立的电流元，两个孤立电流元不一定满足牛顿第三定律，横向力，并不一定沿连线，此条件应该去掉26安培定律经过后人对安培的公式修正、加工，得到现在的安培定律形式1、设dF12为电流元1给电流元2的力，dF12的大小满足下式221211212rdldlIIdF把载流回路分割为电流元272、dF12的大小还与两电流元的取向有关共面的情形普遍的情形：dl2不在dl1和r12组成的平面Π内综合起来112sindF212sindF2221121122221121121212sinsinsinsinrdldlIIkdFrdldlIIdF或者考虑方向：dF12的方向在dl1和r12组成的Π平面内，并与dl2垂直，即：,)ˆ(21212122112rrldldIIkFd被Maxwell誉为“科学中最光辉的成就之一”．Ampere本人则被誉为“电学中的Newton”．29例题2：平行电流元之相互作用。2112ddFF0d12F例题3：垂直电流元之相互作用。0d21F1.两电流元之相互作用不满足牛顿第三运动定律；2.两闭合回路积分后得到的合作用力仍满足牛顿第三运动定律。12dF11dlI22dlI垂直电流元21dF12dF11dlI22dlI平行电流元30电流强度单位——安培的定义和绝对测量安培定律公式中，取力的单位为牛顿，长度单位为米，这样确定下来的电流强度的单位为安培以平行电流元为例：令I1=I2=I，则有：22121012124rdldlIIdF2700/104,4ANk21122127210dldldFrI如果当r122/dl1dl2=C(C1)时，若测得的相互作用力F12=10-7/C，则每根导线中的电流强度I定义为1安培。31新的问题电流产生磁的逆效应的问题将导致电磁感应现象的发现电、磁相互作用的传递问题超距作用和近距作用的论争再次激化，将导致电磁场理论的建立32,)ˆ(21212122112rrldldIIkFd总结