《稳恒磁场兰底》PPT课件.ppt

一 电流与电流密度 1 电流 设在时间内通过导体某一截面的电荷量为 则电流强度 标量 方向 正电荷运动的方向单位 A 安培 形成电流的带电粒子 称载流子 电子 质子 正负离子等 2 电流密度 则通过任一截面的电流 2 导体只有一种载流子 自由电子 但各自由电子速度不同 设电子电量为e 单位体积内以速度运动的电子数为则 无外场时 电子作无规则热运动 所以无电流 3 对于一个有限的面积S 通过它的电流应为通过各面元的电流的代数和 在电流场中 通过某一面积的电流就是通过该面积的电流密度的通量 是一个代数量 4 通过一个封闭曲面S的电流 据电流密度的意义知 实际表示净流出封闭面的电流 根据电荷守恒定律 经封闭面流出的电量应等于面内电荷的减少 即 电流的连续性方程 二 欧姆定律和电阻 1 欧姆定律 而 电阻定律 是电阻率 是电导率 2 欧姆定律的微分形式 代入 得 三 电动势 1 维持稳恒电流的条件 2 电源的电动势 定义 把单位正电荷从电源负极通过电源内部移到正极非静电力所做的功 若电源移动电荷dq时 做功dA 有 设为非静电力场强 则dA 则 由于仅在电源内部 在外部 标量方向 由负极经电源内部到正极 一 磁场 磁场 磁铁或电流周围存在的一种能显示磁力的物质 对外表现 1 磁场对磁铁 对电流 对运动电荷均有磁作用力 2 载流导体在磁场中移动时 磁场的作用力对它作功 二 磁感应强度 设元线圈面积为 电流为 试验元件 小载流线圈 实验发现 将载流线圈放入稳恒磁场中 受磁力矩作用而转动 转至某一方向稳定平衡 称线圈平衡位置 规定 线圈处于稳定平衡位置的法线正向为磁场方向 实验表明 规定方向与该处磁针N极方向相同 载流线圈从平衡位置转过时 受磁力矩最大 规定 1 磁力线上各点的切线方向应代表该点的磁感应强度的方向 2 通过垂直于磁力线单位面积的磁力线数应等于这一点磁感应强度的大小 三 磁感应线 特点 1 任何两磁感应线不相交且自成无头无尾的闭合线 涡旋场 2 磁感应线越密的地方磁场越强 磁感应线总与电流相套合 且符合右手螺旋法则 一 毕 萨定律是电流激发磁场的基本规律 19世纪20年代 法国科学家毕奥和萨伐尔分析了大量实验资料 又同拉普拉斯经过严密的数学分析 逻辑推理而得到的 表达式 矢量式 有限载流导体 的方向 垂直于电流元与组成的平面 指向由右手螺旋确定 二 毕 萨定律的应用 例19 6 求载流直导线的磁场 方向 垂直纸面向里 解 在载有电流I长度为L的直导线上取一电流元 则它在距离导线a的P点产生的磁感应强度大小为 可看出导线上各电流元在P点产生的的方向相同 因此求磁感应强度的矢量积分变成标量积分 即 须统一变量l r r acsc l actg actg dl acsc2 d 讨论 若是无限长直导线 1 0 2 则 若是半无限长直导线 则 对载流导线延长线上一点 B 0 例19 7 载流圆线圈轴线上的磁场 解 在半径为R载有电流I的线圈上任取一电流元 其在线圈轴线上距圆心o为x的P点产生的磁感应强度大小为 由图可知方向变化 作矢量分解 分析对称性可知 dB 互相抵消 而dB 互相加强 因此总磁感应强度 总磁感应强度 方向 沿轴线方向 与电流方向成右手螺旋 讨论 在圆心O处x 0 方向仍是右手螺旋 若圆电流由N匝导线组成 每匝电流均为I则 在轴线上相距很远处 x R 电流磁矩 与电偶极子场强相似 一段载流圆导线在圆心激发的磁场大小为 方向同样沿轴线且符合右手螺旋 是圆弧对圆心张开的圆心角 用弧度表示 例19 8 载流直螺线管内部的磁场 解 设螺线管半径为R 单位长度上有n匝线圈 每匝中有电流I 每匝圆电流在轴线上任一点磁场均沿轴取向 取螺线管轴线与电流成右手螺旋 即磁场沿x正向 在螺线管上取微元dx 通过电流dI nIdx看作圆线圈在轴线上O点产生的磁感应强度 整个螺线管在o点产生的磁感应强度的大小 X Rctg dx Rcsc2 B nI磁场均匀 半无限长 1 2 2 0或 1 0 2 2 B 0 5 nI 讨论 无限长直螺线管 1 2 0 例补 有一无限大均匀载流薄铜片 已知单位宽度上的电流强度为i 求距钢片为a的P点处的磁感应强度 解 铜片可看作由无限多个有一定宽度的无限长直导线产生的磁场的矢量和 建立坐标系 并在铜片一侧离o为x处取一定宽度dx的无限长直导线 设它至P点的距离为r 通有电流dI idx 则它在P点处的磁感应强度 方向如图 把dB分解成为dBx和dBy 由对称性分析可知dBy分量互抵消 dBx分量互加强 可看出B大小与P点距铜片距离无关 方向沿x轴负向 1 I o 2 o I I I段电流是 的两倍 因为 是I的电阻的两倍 思考题 毕 萨定律是电流激发磁场的基本规律 而电流是由大量电荷定向运动形成的 因此电流所产生的磁场 可归结为大量运动电荷所产生的磁场 由毕萨定律知电流元产生的磁感应强度大小为 设电流元的截面积是s 并设载流导体单位体积内粒子数为n 每个粒子带电为q 并以速度v沿方向匀速运动 则单位时间内通过横截面的电量 即电流强度 因此 方向 垂直于与组成的平面 在电流元内有个粒子运动 从微观上看 产生的磁场就是这个运动电荷产生的 因此 每一个是以速度运动的电荷产生的磁场感应强度大小为 写成矢量式 运动电荷的磁场公式也是毕 萨定律的微观形式 一 磁通量和磁场的高斯定理 1 磁通量 类似于电通量 定义 通过一个给定曲面的总磁感线数 称为磁通量 标记为 对于面元有 其中 为面元的正法线方向与该外方向夹角 对于有限曲面S 单位 2 磁场的高斯定理 用于描述磁场的特性在磁场中取任一闭合曲面 并规定外法线为正 则穿出闭合面的磁通量为正 穿入闭合面的磁通量为负 由于磁感应线是闭合线 因此穿入闭合面的磁感线数等于穿出闭合面的磁感线数 所以总磁通量为零 即 对应于电场的高斯定理 可知 磁场是无源场 二 磁场强度安培环路定律 1 磁场强度 从毕 萨定律求出的磁感应强度与磁介质有关 引入新的物理量 磁场强度 则无限长直线外距导线a处的磁场强度 圆形电流轴线上和中心处的磁场强度 无限长直载流螺线管内轴线上磁场强度 2 安培环路定律 如图中 曲线上P点处 则沿闭合曲线的环流为 仅与包围的传导电流有关 与回路无关 取不同回路 结论相同 环路定律 在磁场中 磁场强度沿一闭合曲线的线积分 即的环流 等于此闭合曲线所包围的各传导电流强度的代数和 电流的正负与闭合环路绕行方向有关 规定 当电流方向与环路绕行方向成右手螺旋时 为正 反之 为负 3 应用 例19 9 求无限长载流圆柱导体内 外的磁场强度 解 如图 设电流沿轴线方向 且在圆柱导体横截面上均匀分布 由于是无限长圆柱体 则磁场具有轴对称分布 在导体外过P点作一半径为r的圆 圆面垂直于轴线 如图 则回路上任一点的数值相等 方向与闭合回路相切 用环路定理有 在导体内同样作一闭合回路 则此闭合线包围的电流为 运用环路定理 例19 10 求长螺线管内的磁场强度 解 设共有N匝 通有电流I 由于螺线管很长 管内中央部分的磁场是均匀的 方向与管轴平行 管外侧 磁场强度很弱 可以忽略 如图 过管内一点P作一个矩形闭合线ABCD 并沿此闭合线运用安培环路定理 例1