《基礎(chǔ)物理學(xué)BII》PPT課件.ppt

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20.7載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用,第二十章穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)_____真空中的靜磁場(chǎng),20.3畢奧—薩伐爾定律,20.4磁通量磁場(chǎng)的高斯定理,20.5磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理,20.6帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),20.1基本磁現(xiàn)象,20.2磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度,#磁現(xiàn)象的根源-----知源求場(chǎng)----基本規(guī)律----對(duì)稱的場(chǎng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,#.如圖，兩個(gè)完全相同的回路L1和L2，回路內(nèi)包圍有無(wú)限長(zhǎng)直電流I1和I2，P1和P2是回路上兩位置相同的點(diǎn)。圖(b)中L2外存在無(wú)限長(zhǎng)直電流I3，判斷正誤。,20.7載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用,對(duì)總線電流：,具洛倫茲力本質(zhì):,20-8平面對(duì)稱性,兩側(cè)磁場(chǎng)的方向不是外法,是右旋切向.20-10參考大球挖小球,此處是圓柱內(nèi)挖圓柱,圓柱對(duì)稱性,,,,,,,,,,,,,,2d,,,,,,,,x,y,z,O,,P,I,,,,,,解：,安培定律:,幾何關(guān)系,#1基本思路:微元法,安培定律,疊加原理,直角坐標(biāo)系,半圓形載流導(dǎo)線上所受的力與其兩個(gè)端點(diǎn)相連的直導(dǎo)線所受到的力大小?方向?,利用畢—薩定律與安培定律，求出其中一根導(dǎo)線激發(fā)的靜磁場(chǎng)的分布，再計(jì)算其它載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力。,,,,,,,,,,,,,,2.兩平行載流直導(dǎo)線間的作用力----電流單位“安培”的定義,AB通有電流I1,CD通有電流I2,AB//CD,間距d.,,,忽略邊緣效應(yīng),在導(dǎo)線垂直平面參考極坐標(biāo)系如圖,,,P點(diǎn)處的電流元受力：,①討論AB中I1激發(fā)靜磁場(chǎng)B1,CD因而受到的力,單位長(zhǎng)度的CD受到AB的作用力:,CD上P點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度：,,,,,,,,,,,,,,,#2長(zhǎng)直導(dǎo)線，場(chǎng)不同方向的B,和I2dl受到的安培力?,,,①單位長(zhǎng)度的ICD受到IAB的力:,②單位長(zhǎng)度的IAB受到ICD的力:,方向均垂直指向施力導(dǎo)線同向電流吸引,異向電流排斥,二力等大小。,,兩個(gè)同方向的平行載流直導(dǎo)線，通過(guò)磁場(chǎng)的作用，將相互吸引。兩個(gè)反向的平行載流直導(dǎo)線，通過(guò)磁場(chǎng)的作用，將相互排斥.每一段導(dǎo)線單位長(zhǎng)度所受的斥力的大小與這兩電流同方向情形下受到的引力相等。,“安培”的定義：真空中相距1m的二無(wú)限長(zhǎng)平行直導(dǎo)線中載有相等的電流時(shí)，若在每米長(zhǎng)度導(dǎo)線上的相互作用力正好等于210-7N，則導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度定義為1A。,電流強(qiáng)度’單位’的安培基準(zhǔn),#4安培力使載流直線,平動(dòng)a,……,簡(jiǎn)單的磁懸浮,可以……,有用—轉(zhuǎn)動(dòng),曲線？,#3兩平行的載流圓線圈之間,吸引?排斥?#磁鐵?,任意形狀的平面載流線圈的面積S,電流強(qiáng)度I,統(tǒng)一定義:,為線圈的磁矩,I,m,,,,,,,,,P,3.均勻磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用,(1)矩形線圈在均勻磁場(chǎng)中受到的作用力,,若線圈有N匝則,不關(guān)心磁矩激發(fā)磁場(chǎng)的場(chǎng)源效果,關(guān)心在磁場(chǎng)中,磁矩受到的作用力(矩),,,直線電流受到安培力：,矩形載流線圈ABCD,設(shè)AB邊與磁場(chǎng)垂直,BC邊與磁場(chǎng)夾角θ.,,,,,,,,,,,,,,,,,,AB與CD邊受力大小為：,線圈受合力為零.合力矩等于兩力偶（對(duì)質(zhì)心）的力矩和。,俯視圖,T=Fd=?,,力偶的力矩:,,l1,,磁場(chǎng)作用在線圈上總的力矩大小為：,方向…,勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)矩形線圈的力矩：,,(2)任意形狀的剛性平面線圈在均勻磁場(chǎng)中受力矩,I,,基本方法:將線圈分割成許多矩形線圈,每個(gè)矩形線圈的磁矩方向都是,,第i個(gè)矩形線圈所受的力矩,,按電流右手旋向定法向,整個(gè)線圈所受的力矩為,,力矩方向相同,勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)平面剛性線圈的力矩：,討論：,力矩的極值,力矩的作用趨勢(shì),,,,,,,,,,,,,,,力矩vs角加速度,轉(zhuǎn)動(dòng)的方向-----趨勢(shì),如果給一個(gè)初始角速度,反平行取向開(kāi)始,……,在均勻外磁場(chǎng)中，平面載流線圈作為整體，受到合力矩使線圈的磁矩轉(zhuǎn)到B的方向，這使得線圈剛體產(chǎn)生了變化的角加速度---,均勻磁場(chǎng)中,任意形狀的剛性的平面載流線圈受到的力矩,帶電粒子在平面內(nèi)沿閉合回路運(yùn)動(dòng)---軌道磁矩;帶電粒子如有自旋,則還具有----自旋磁矩，這兩種磁矩在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中各自受到的力矩,服從相同的規(guī)律.,“通電線圈在磁場(chǎng)中受到力矩”是直流電動(dòng)機(jī)(卷?yè)P(yáng)機(jī),電力機(jī)車(chē),電動(dòng)車(chē))和磁電式電流計(jì)等電磁裝置的工作原理。,驅(qū)動(dòng)剛體作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)……,,真空中的靜磁場(chǎng),是什么?規(guī)律?有什么用:帶電粒子載流導(dǎo)線平面剛性載流線圈,,#真實(shí)物體----磁性特征-----場(chǎng)的所有源----基本方法,自然界存在的物質(zhì),都是磁介質(zhì)(磁導(dǎo)體?),物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響以及磁介質(zhì)存在下的磁場(chǎng)規(guī)律,是磁學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題.,若一個(gè)體系中的所有電流元分布保持不變,從而磁場(chǎng)分布不隨時(shí)間變化,則稱為穩(wěn)恒(靜)磁場(chǎng).,如果將一個(gè)不具有磁性或者至少不表現(xiàn)出任何磁性的物體放在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生什么情況呢？,21.1物質(zhì)的磁性,磁化：磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)中的物質(zhì)的作用稱為磁化。,磁介質(zhì)：與(原)磁場(chǎng)發(fā)生相互作用的物質(zhì)稱為磁介質(zhì).,附加磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁化后介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)___與外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的關(guān)系.,1.磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響,總磁感應(yīng)強(qiáng)度,外加磁感應(yīng)強(qiáng)度,均勻各向同性介質(zhì)充滿磁場(chǎng),,,μr─相對(duì)磁導(dǎo)率,,,,密繞長(zhǎng)直螺線管,,①弱磁質(zhì)，,順磁質(zhì):,如:Pt(1.00026),Al，O2，N2…,抗磁質(zhì):,如：Cu(0.9999)，Ag，Cl2，H2…,②強(qiáng)磁質(zhì),,如：Fe()，Co，Ni…,2.磁介質(zhì)的分類(lèi)：,均勻各向同性介質(zhì)充滿磁場(chǎng),,μr─相對(duì)磁導(dǎo)率,導(dǎo)體,絕緣體,鐵磁質(zhì)，磁性材料,(10-4),順磁質(zhì)表現(xiàn)為磁化后產(chǎn)生附加磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)方向一致，使介質(zhì)中磁場(chǎng)加強(qiáng);,順磁性和抗磁性:分子電流及對(duì)應(yīng)的分子磁矩;鐵磁性材料:磁疇。(自學(xué)內(nèi)容),抗磁質(zhì)磁化后形成附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反,使介質(zhì)中磁場(chǎng)減弱;,鐵磁質(zhì)同順磁質(zhì)近似，但介質(zhì)中的磁場(chǎng)大大加強(qiáng).,上述表明不同物質(zhì)放入磁場(chǎng)中后磁化程度不同,為什么呢？也就是磁化的機(jī)理不同.,(用鐵屑顯示磁場(chǎng)線),去除外場(chǎng)有剩余磁場(chǎng)---人工磁石.,3.分子電流(也可稱為磁偶極子),,,I,,,m,電子的軌道運(yùn)動(dòng)電流:,軌道磁矩:,電子軌道運(yùn)動(dòng)(繞核)的角動(dòng)量:,電子軌道磁矩與軌道角動(dòng)量的關(guān)系：,①電子的磁矩(以氫原子為模型),,#當(dāng)安培提出分子電流假說(shuō)(1822)時(shí),沒(méi)有任何微觀證據(jù)..,原子核也有磁矩，但都小于電子磁矩的千分之一。通常不必計(jì)入分子磁矩。,②,③分子磁矩和分子電流,,,,原子核磁矩,有的情況單獨(dú)考慮核磁矩，如核磁共振技術(shù)。,無(wú)外磁場(chǎng)時(shí):順磁分子m分≠0,大量分子平均為零抗磁質(zhì)m分=0;,,,,,,,P,分子電流圈作為整體，受到的合力為零;合力矩使分子的磁矩轉(zhuǎn)到磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向,,外磁場(chǎng)中，這個(gè)分子(磁矩)受到力矩,,于是磁矩貢獻(xiàn)的磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)疊加,……,,無(wú)外場(chǎng)時(shí)，弱磁性材料的分子們,熱運(yùn)動(dòng),總磁場(chǎng)效果?,,磁場(chǎng)作用下，,4.磁介質(zhì)的磁化,介質(zhì)磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象,①順磁質(zhì)磁化,順磁質(zhì)的分子有固有的分子磁矩(主要是電子軌道和自旋磁矩的貢獻(xiàn)),,m分?10-23Am2,熱運(yùn)動(dòng)使完全混亂，不顯磁性。,,#1順磁質(zhì)磁化后,造成的宏觀效果:?,束縛電流出現(xiàn),②抗磁質(zhì)的磁化,抗磁質(zhì)的分子所有電子的磁矩與原子核磁矩矢量和為零,即固有磁矩為0。,不顯磁性,,顯示抗磁性,#2.為什么反平行呢？,與反向,以電子的軌道運(yùn)動(dòng)為例,,第i個(gè)電子受到的磁場(chǎng)力矩,電子軌道角動(dòng)量增量,電子旋進(jìn),,這種效應(yīng)在順磁質(zhì)中也有,但,與分子固有磁矩的轉(zhuǎn)向效應(yīng)相比弱得多。,反平行于,#3.分子所有磁矩的和=分子的感應(yīng)附加磁矩,------等效于分運(yùn)動(dòng),它引起的感應(yīng)磁矩,,一般的動(dòng)物都是抗磁性的,如果我們?cè)煲粋€(gè)螺線管,其磁場(chǎng)可以使一只小白鼠懸浮螺線管之上空.,強(qiáng)磁質(zhì)在無(wú)外場(chǎng)時(shí),顯示出磁性,成為永久磁鐵.強(qiáng)烈的閃電(#)在擊中某種礦石后,可能制造出磁石.,當(dāng)引入的外磁場(chǎng)增強(qiáng)然后減弱到零,鐵磁質(zhì)不會(huì)完全失去磁化,而是保留著了磁場(chǎng)增強(qiáng)以后分子電流同向排列的部分”記憶”(磁滯).,鐵磁性材料的這種記憶是錄音帶,錄像帶和計(jì)算機(jī)磁盤(pán)等磁信息存儲(chǔ)的基礎(chǔ).,③鐵磁質(zhì)的磁化(類(lèi)似順磁質(zhì),磁化程度強(qiáng)烈得多),#5.磁介質(zhì)磁化后形成的面束縛電流，與傳導(dǎo)電流不同…,關(guān)閉螺線管電源,發(fā)生什么?,#4.均勻抗磁介質(zhì)磁化后形成的宏觀效果:,面束縛電流,21.2磁化強(qiáng)度矢量,單位體積內(nèi)所有分子的總磁矩的矢量和定義為磁化強(qiáng)度,用表示:,1.磁場(chǎng)對(duì)磁介質(zhì)的影響:磁化強(qiáng)度矢量,宏觀測(cè)量到的是大量分子磁矩的統(tǒng)計(jì)平均值.,物質(zhì)被磁化后,抗磁介質(zhì)分子具有附加磁矩,分子總磁矩統(tǒng)一表示:,#磁場(chǎng)有磁介質(zhì)(弱(順,抗),強(qiáng)),也有導(dǎo)體(電的超導(dǎo)體),這里?V?0是指宏觀上足夠小,微觀上足夠大,宏觀點(diǎn)函數(shù),,21.2磁化強(qiáng)度矢量,單位體積內(nèi)所有分子的總磁矩的矢量和定義為磁化強(qiáng)度,用表示:,1.磁場(chǎng)對(duì)磁介質(zhì)的影響:磁化強(qiáng)度矢量,宏觀測(cè)量到的是大量分子磁矩的統(tǒng)計(jì)平均值.,#6.磁化強(qiáng)度矢量的量綱是?與誰(shuí)的相同,B？,磁介質(zhì)的磁化率只由磁介質(zhì)性質(zhì)決定的一個(gè)純數(shù)。對(duì)均勻弱磁介質(zhì),它是一個(gè)常量;若磁介質(zhì)是不均勻的,它是空間位置的函數(shù)。,2.均勻各向同性弱磁介質(zhì),外磁場(chǎng)不為零,,順磁質(zhì),抗磁質(zhì),,順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)外磁場(chǎng)為零,磁化強(qiáng)度為零.,鐵磁質(zhì),即強(qiáng)磁質(zhì):,不是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系,,(弱磁質(zhì)):,載流直螺線管內(nèi)均勻介質(zhì):內(nèi)部分子電流相互抵消,,3.磁化電流,而在介質(zhì)表面，各分子電流相互疊加，,表面出現(xiàn)一層電流，,面電流（或安培表面電流）。,好象一個(gè)載流螺線管，,在磁化圓柱的,稱為磁化,------從特殊到一般的物理學(xué)習(xí)方法,,介質(zhì)表面沿M方向單位長(zhǎng)度(#)上的磁化電流為js(面磁化電流密度)，,,,,,,這段介質(zhì)均勻磁化的宏觀效果:,則長(zhǎng)為l的一段介質(zhì)上的磁化電流強(qiáng)度:,,,,,,?普遍成立,,#6中心挖小柱?,從圓柱對(duì)稱性的介質(zhì)和場(chǎng)分布的特殊情況下,出發(fā)---,#傳導(dǎo)電流---磁場(chǎng),磁化電流---磁化強(qiáng)度矢量場(chǎng),環(huán)流?,取一長(zhǎng)方形閉合回路ABCD，AB邊在磁介質(zhì)內(nèi)部,平行與柱體軸線,長(zhǎng)度為l,BC、AD兩邊垂直于柱面:,4.磁化強(qiáng)度矢量的環(huán)路積分,=I’,,,,,,,,,,推廣的結(jié)論:磁化強(qiáng)度對(duì)任意閉合回路的線積分等于回路所包圍的面積內(nèi)凈穿出的磁化電流代數(shù)和。,磁場(chǎng)使磁介質(zhì)磁化,在磁介質(zhì)存在的空間激發(fā)出(分子電流的宏觀效應(yīng))磁化電流:,21.3磁介質(zhì)存在時(shí)的安培環(huán)路定理,任何電流元(傳導(dǎo)電流或磁化電流)都激發(fā)磁場(chǎng),可以按照畢-薩定律研究?jī)深?lèi)源泉對(duì)磁場(chǎng)的貢獻(xiàn);,#7考慮了所有激發(fā)磁場(chǎng)的源后,任何磁介質(zhì)等價(jià)于真空.,(1)式需要修改以方便應(yīng)用于磁介質(zhì)存在的空間。,設(shè)：I0─傳導(dǎo)電流，,I?─磁化電流,I?,,,,令,磁場(chǎng)強(qiáng)度,,,得：,令,——磁場(chǎng)強(qiáng)度,得：,定理表明：磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的環(huán)流和傳導(dǎo)電流I0有關(guān),而在形式上與磁介質(zhì)的磁性無(wú)關(guān)。,磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該路徑的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，而與磁化電流無(wú)關(guān)。,#8一個(gè)新矢量場(chǎng)?有無(wú)磁介質(zhì),總可以用它來(lái)研究磁場(chǎng),任意形狀的環(huán)路都成立.,①H的單位：,②真空：,A/m（SI）；,③各向同性均勻磁介質(zhì)：,實(shí)驗(yàn)證明：外場(chǎng)不太大時(shí),在各向同性的弱磁質(zhì)內(nèi)，任意一點(diǎn)磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。,磁介質(zhì)的磁化率只由磁介質(zhì)性質(zhì)決定的一個(gè)純數(shù)。對(duì)均勻弱磁介質(zhì),它是一個(gè)常量;若磁介質(zhì)是不均勻的,它是空間位置的函數(shù)。,─磁導(dǎo)率,令,則有,真空：?=?0,,2.各向同性均勻弱磁介質(zhì),值得注意：為研究介質(zhì)中的磁場(chǎng)提供方便它不是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的基本物理量，才是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的基本物理量。,磁感應(yīng)強(qiáng)度環(huán)路積分,磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)路積分,磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量是真空磁場(chǎng)和磁介質(zhì)磁化的復(fù)合矢量,磁場(chǎng)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度線性質(zhì)不同。,傳導(dǎo)電流→磁場(chǎng)強(qiáng)度,磁化強(qiáng)度,→磁化電流,磁感應(yīng)強(qiáng)度,3.H環(huán)路定理的應(yīng)用(真空內(nèi)有東西怎么求磁場(chǎng)?),,,,,,,,,,將長(zhǎng)直鐵心插入真空的螺線管中,原電流不變,管內(nèi)任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度怎樣變化?,閱讀書(shū)上相關(guān)章節(jié),自學(xué)了解21.4鐵磁質(zhì)作業(yè):P10520-14，15,16P12021-1,,做好穩(wěn)恒磁場(chǎng)復(fù)習(xí)總結(jié),下周開(kāi)始變化的電磁場(chǎng).,