稳恒磁场改进4.ppt

,磁悬浮列车,磁聚焦,1.稳恒磁场,一.磁现象与磁场,1.磁现象：磁石、铁磁性物质之间存在力的作用。,2.有磁荷吗磁性的起源,1820年奥斯特发现：电流产生磁场。,二.磁力是如何作用的磁场的提出,电流,电流,磁场,永久磁铁：,分子环流假说,稳恒电流,稳恒磁场,电流,定向运动的电荷,磁场,三.磁场的描述磁感应强度矢量B,作用：从力的角度描述磁场的强弱。,定义：设运动电荷，速度为v,电量为q,与磁场夹角为。,则电荷受到的最大磁力为：,当不同时，力也不同。Fsin,定义：,单位：,1T=104Gs,自然界的一些磁场值,四.电流磁场分布的讨论毕沙定律,电流：取电流元Idl，讨论其产生的dB。,回顾：,点电荷：,带电体：,拉普拉斯在研究了比奥和萨法尔的实验结果之后，提出了电流元产生磁场的规律。,Idl,电流元在P点的磁感应强度,方向：右手螺旋判断。,0=410-7TmA-1真空中的磁导率。,一段导线：,矢量积分,例题：,求长直导线的B的分布。见图：,a,I,解：取电流元Idl,Idl,r,方向：,由于dB方向一致,注意2的取值。,若：1=02=,则：,具有轴对称性。,若：1=/2,2=,若：1=0,2=/2,则：,则：,磁感应线磁场的几何描述,磁感应线（magneticinductionline),长直导线,螺线管,2稳恒磁场的特性,一.磁场的高斯定理,穿过面元dS的磁通，也就是穿过dS的磁感应线数目。,对封闭面：,磁场的高斯定理,无源场,例题求中点的B,阴影处的。,I1=20A,=I2,d=40cm,A,解：1.视为无限长，则有：,B=4.0 x10-5T,2.,先求1，取面元dS,r,同理,=1+2=2.2x10-6wb,10,20,10,二.稳恒磁场安培环路定理1.定理,导出：特例无限长直载流导线,见图：取圆形环路，并规定方向，半径为r,思考,I,r,则有：,若环路反向，则有：,推论：,安培环路定理,说明：1.此定理对任意稳恒磁场成立。2.I的含义及符号的确定。3.公式中B为何位置的B4.指出磁场为非保守场，并可求B的分布。,2.应用,B,例1.无限长螺线管，见图：,取环路（黑色），则有：,a,l,1,2,3,4,例2无限长载流圆柱体的B分布。,R,I,解：,取环路如图：,r,分区间求解，rR,rR,2电磁相互作用,一.洛伦兹力,洛伦兹(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)荷兰物理学家、数学家，生于阿纳姆，毕业于莱顿大学1875年获博士学位。1878年起任莱顿大学理论物理学教授。因研究磁场对辐射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金。洛伦兹是经典电子论的创立者。1895年，洛伦兹根据物质电结构的假说，成功地解释了相当多的物理现象，创立了经典电子论。洛伦兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛伦兹力是洛伦兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。洛伦兹还预言了正常的塞曼效益，即磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。洛伦兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要基础。洛伦兹对统计物理学也有贡献。,1.表达式：,f=qvB,B,v,v,力的方向：由q和vB决定。,f,f,力的大小：,f=qvBsin,Fv,仅改变速度方向，不改变速度大小。,2.带电粒子在电场与磁场中的运动匀强磁场:vB：匀速圆周运动半径：,q,R,周期：,v与B夹角为,B,v,v,v,h=vcosT螺距,h,磁聚焦现象。,电子显微镜,粒子源A,接收器A,质谱仪,B,质谱仪原理,二.安培力载流导线在磁场中受力,1.实验事实,当除I的大小外其它参数不变时,F正比于I。,当除B的大小外其它参数不变时,F正比于B。,当除L的大小外其它参数不变时,F正比于L。,当I、L和B的大小不变时,改变IL和B夹角,F的大小变化如图所示：,2.安培定律,B,取电流元如图：,Idl,dF=IdlB,大小：dF=IdlBsin,一段导线：,方向：,矢量积分,三.磁力矩(匀强磁场),I,B,Fab,Fcd,Fbc,Fda,Fbc,Fda,B,n,边长为L载流线圈处在匀强磁场中的受力情况：,Fbc=IBL=Fda,力矩：,=ISBsin,=IL2Bsin,=mBsin,m=IS线圈磁矩，是矢量。,矢量式：,对任意线圈成立,讨论：,=0稳定平衡,=非稳定平衡,4.霍耳效应,v,B,F,霍耳电势差：,L,d,I,VH,平衡时：qvB=qE,q,VH=EL=vBL,而：I=nevLd,所以：v=I/nqLd,霍尔系数，取决于导体材料,霍耳效应测磁场,利用霍耳效应测恒定磁场,5.磁介质中的安培环路定理,一.磁介质：,1.磁介质：在磁场中能产生附加磁场B的物质，此过程称被磁化。,2.总磁场B=B0+B,3.分类,（1）顺磁质：磁性很弱，（为B0的几万到几十万分之一）在内部加强B0。r1,（2）抗磁质：磁性很弱，在内部减弱B0。r1抗磁质与顺磁质统称为弱磁性物质,相对磁导率,（3）铁磁质：磁性很强，（为B0的102104倍）在内部加强B0。,4.磁化机制,顺磁性和抗磁性的微观结构对于物质中的分子，任一个电子都同时参与环绕原子核的轨道运动和电子本身的自旋，这两种运动都能产生磁效应。把分子看成一个整体，分子中各个电子对外产生的磁效应的总和可用一个等效的圆电流表示，称为分子电流I分，它形成的磁矩称这分子的固有磁矩Pm。下面是电子e自转同时绕正电荷公转的示意图和分子磁矩的示意图,电子e自转同时绕正电荷公转,分子磁矩的示意图,研究证明，抗磁质分子在没有外磁场作用时，分子的固有磁矩Pm为零。顺磁质分子在没有外磁场作用时，分子的固有磁矩Pm不为零，但是由于分子的无规则热运动，宏观上也不显磁性。,微观解释,在顺磁质中截取任一体积元，模拟它在没有外磁场作用时，分子的无规则热运动：,由于分子的无规则热运动,分子的固有磁矩取向杂乱无章，宏观上不显磁性。接通电源，螺绕环的内的磁介质出现一恒定外磁场。磁介质分子的固有磁矩Pm在外磁场中受力矩M=PmB,的作用而转向外磁场方向，使各分子的固有磁矩在一定程度上沿外磁场方向排列。磁介质内部任一处相邻的分子电流都是成对反向相互抵消的，结果就形成沿横截面边缘的圆电流I使磁介质内的磁场加强了。这便是产生顺磁效应的机理。,下面是充满磁介质的螺绕环截面图:,I激起外磁场的电流I分分子电流I由转向排列引起的束缚电流,二.磁介质中的安培环路定理,考虑磁化电流：,考虑介质时，在介质内部：,所以：,B=rB0,令：,磁场强度,有：,有介质时的安培环路定理,磁场的生物效应,磁场处理种子：提高发芽率，促进生长，提高产量,磁场处理小麦种子的增产效果,磁场中饲养小鸡体重较对照组增加一倍。,磁聚焦原理：若从带电粒子源向磁场中发射出一束高速带电粒子流，则它们具有相同的速度分量和不同的。尽管每个粒子的轨迹和半径不同，但它们在距出发点为h、2h、等处又会交汇于一点磁聚焦现象一般都是利用载流螺线管中激发的磁场来实现的,地磁倒转是地球磁极在地质时期中的交替现象。地球内外挤压的过程不是永恒的,挤压的结果是达到原子核间斥力和正负电场引力的平衡.当挤压过程结束时,电流消失,自转驱动力会消失,地磁场也将消失,太阳发射出来的各种射线会直达地表,密集的正电粒子对电子的中和作用将进一步增强,使地幔层的电子减少,负电场减弱.这必然使地心的压力减小,引力将会变小,地球的腰围也必然会变粗.当地核的斥力占有绝对优势时,地球将会进入膨胀期,地幔层的电子会回流向地心,如果此时地球仍存在一定的自转惯性,那么,地磁场的方向会发生变换;如果此时的地球已完全停止自转,那么,还有可能是磁场的方向不变而改变的是自转的方向.因此,有两种结果产生:要么地磁反转,要么自转反向.地磁反转学说对此提供了可靠的依据近年来,许多地质学家一致认为在过去的7600万年中地磁至少反转过171次.因为许多国家已经从地质勘测中查到了地磁反转的证据.法国和美国的科学家通过10Be分析法证实地磁场发生过逆转.地球上的Be(铍)元素都是以稳定的9Be存在的,如果有10Be存在则与地磁场消失有关,地磁