大学物理 稳恒磁场

第十一章 稳恒磁场磁场由运动电荷产生。磁场与电场性质有对称性，学习中应注意对比。111 基本磁现象磁性，磁力，磁现象；磁极，磁极指向性，N极，S极，同极相斥，异极相吸。磁极不可分与磁单极。一、电流的磁效应1819年，丹麦科学家奥斯特发现电流的磁效应；1820年，法国科学家安培发现磁场对电流的作用。二、物质磁性的电本质磁性来自于运动电荷，磁场是电流的场。注：1932年，英国物理学家狄拉克预言存在“磁单极”，至今科学家一直在努力寻找其存在的证据。112 磁场 磁感强度一、磁场磁力通过磁场传递，磁场是又一个以场的形式存在的物质。二、磁感强度磁感强度B的定义：（1）规定小磁针在磁场中N极的指向为该点磁感强度B的方向。若正电荷沿此方向运动，其所受磁力为零。（2）正运动电荷沿与磁感强度B垂直的方向运动时，其所受最大磁力Fmax与电荷电量q和运动速度大小v的乘积的比值，规定为磁场中某点磁感强度的大小。即：磁感强度B是描写磁场性质的基本物理量。若空间各点B的大小和方向均相等，则该磁场为均匀磁场；若空间各点B的大小和方向均不随时间改变，称该磁场为稳恒磁场。磁感强度B的单位：特斯拉（T）。113 毕奥萨伐尔定律一、毕萨定律电流元: 电流在空间的磁场可看成是组成电流的所有电流元在空间产生元磁感强度的矢量和。式中0：真空磁导率， 04107 NA 2dB的大小： dB的方向： dB总是垂直于Idl与r组成的平面，并服从右手定则。一段有限长电流的磁场： 二、应用1。一段载流直导线的磁场说明：（1）导线“无限长”：（2）半“无限长”： 2。圆电流轴线上的磁场 磁偶极矩 讨论：（1）圆心处的磁场：x = 0 ；（2）半圆圆心处的磁场： （3）远场：xR，引进新概念 磁偶极矩 则： 3。载流螺线管轴线上的磁场 讨论：（1）“无限长”螺线管： （2）半“无限长”螺线管：例：求圆心处的B。114 磁通量 磁场的高斯定理一、磁感线作法类似电场线。磁感线的特点：（1）B线都是一些无头无尾的闭合曲线；（2）B线总是与电流相套合。二、磁场的高斯定理1。磁通量定义： 磁通量的直观意义：穿过给定曲面的磁感线的根数。磁通量是标量。2。磁场的高斯定理 表述：通过任意闭合曲面的磁通量必为零。磁场的高斯定理否定了“磁荷”的存在，是电磁场基本方程之一。115 安培环路定理一、安培环路定理 表述：真空中稳恒磁场内，磁感强度的环流等于穿过积分回路的所有传导电流代数和的0倍。说明：（1）等号右边的电流有正负。（2）表达式中B应包括所有电流的贡献，I指穿过回路的电流。（3）若电流与积分回路有N次链套，则 （4）“穿过回路的电流”指穿过一闭合回路为边界的任意曲面上的电流。安培环路定理表明：稳恒磁场不是保守场。二、定理的应用1。“无限长”均匀载流圆柱导体的磁场。 2。环形螺线管内的磁场对细螺线管： 小结：（1）严格把握定理成立条件和解题条件的区别；（2）解题步骤：根据电流对称性分析磁场分布对称性；选取适当安培回路，使B能以标量形式从积分号内脱出。（3）安环与毕萨的区别：毕萨普适。原则上可求任意电流的磁场：电流元的、一段电流的、整个电流的。缺点是叉积、投影、积分都比较困难；安环容易。但是不能求一段或部分电流的磁场。116 洛仑兹力洛仑兹力：运动电荷受到的磁场力。一、洛仑兹力说明：（1）若q0，则F方向为 ；（2）洛仑兹公式 若空间既存在磁场，又存在电场，则运动电荷将同时受到洛仑兹力和库仑力作用。洛仑兹力特点：（1）静止电荷不受洛仑兹力作用；（2）洛仑兹力对运动电荷不作功。二、带电粒子在均匀磁场中的运动1。与平行：结论：粒子保持原来匀速直线运动状态。2。与垂直：结论：粒子作匀速率圆周运动。轨道半径 ；回旋周期 ；回旋频率 3。与斜交（夹角为）：轨道半径 回旋周期 螺距 三、应用1。质谱仪研究、分析同位素组成的仪器。2。滤速器质谱仪的重要配件。3。霍尔效应 RH：霍尔系数说明：（1）应用广泛。高斯计，大电流计，磁流体发电，自动控制等。（2）根据霍尔电压极性可判断是电子型还是空穴型半导体材料。（3）以上解释是从经典理论出发的，存在一定缺陷。117 载流导线在磁场中所受的力安培力一、安培力安培力的实质就是金属导体中自由电子受到洛仑兹力的作用。安培定律：磁场对电流元的作用力数值上等于电流元的大小、电流元所在处磁感强度的大小及电流元与之间夹角的正弦的乘积，其方向由矢积决定。一段有限长电流受安培力说明：（1）定律无法用实验直接验证；（2）矢量积分。只有各电流元受力方向一致时才可退化为标量积分；（3）若非匀磁场，则B不可从积分号内提出；（4）特例：匀强磁场，一段长为l的直电流，与B的夹角为 方向 右手螺旋又：0或180,则安培力为零；若90,则FFmax=IlB例1：求匀强磁场中闭合电流回路受安培力。结论：（1）匀强磁场作用在闭合回路上的合力为零；（2）均匀磁场作用在任意形状导线上的磁力等于连接导线始端与终端的一段直导线上受的安培力。例2：两根无限长平行载流直导线间的相互作用力。两根电流同向，相互吸引；反向，相互排