载流导体产生磁场ppt课件

1、载流导体产生磁场载流导体产生磁场磁场对电流有作用磁场对电流有作用一一. .安培定理安培定理大小：大小：方向：方向：sinddlBIF 由右手螺旋法那么确由右手螺旋法那么确定定 任不测形载流导线在外磁场中遭到的安培力任不测形载流导线在外磁场中遭到的安培力BlIFFdd(1) 安培定理是矢量表述式安培定理是矢量表述式zyxFFFFd,d,dd(2) 假设磁场为匀强场假设磁场为匀强场 BlIFd在匀强磁场中的闭合电流受力在匀强磁场中的闭合电流受力BlIFd09.5 9.5 磁场对电流的作用磁场对电流的作用BlIF dd讨论讨论安培力安培力xyOAILB此段载流导线受的磁力。此段载流导线受的磁力。在电

2、流上任取电流元在电流上任取电流元lIdlIBBlIFdddlIdFdsinddlIBFxyIBdxIBlIBFydcosdd0d00yIBFxIBLxIBFLy0d例例 在均匀磁场中放置一任不测形的导线，电流强度为在均匀磁场中放置一任不测形的导线，电流强度为I I求求解解相当于载流直导线相当于载流直导线F 在匀强磁场中受的力，方向沿在匀强磁场中受的力，方向沿 y y 向。向。OA例例 求两平行无限长直导线之间的相互作用力？求两平行无限长直导线之间的相互作用力？a2I1I1B12f解解 aIB2101电流电流 2 处于电流处于电流 1 的磁场中的磁场中1212BIf同时，电流同时，电流 1 处于

3、电流处于电流 2 的磁场中，的磁场中，aIIBIf2210212121faII2210电流电流 2 中单位长度上受的安培力中单位长度上受的安培力电流电流 1 中单位长度上受的安培力中单位长度上受的安培力(1) 定义定义: 真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，假真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，假设设 相距相距 1 米，单位长度受力米，单位长度受力(2) 电流之间的磁力符合牛顿第三定律：电流之间的磁力符合牛顿第三定律：N10271221ff那么电流为那么电流为1 1 安培。安培。(3) 分析两电流元之间的相互作用力分析两电流元之间的相互作用力22dlI11dlI12r312121101

4、d4drrlIB312121122012212rrlIlI4BlIfddddd同理同理321212211021121dd4dddrrlIlIBlIf 两电流元之间的相互作用力，普通不遵守牛顿第三定律两电流元之间的相互作用力，普通不遵守牛顿第三定律讨论讨论21f12f(4) 分析两根带电长直线沿长度方向运动时，带电线之间的分析两根带电长直线沿长度方向运动时，带电线之间的作用力。作用力。1v2v12a 两带电线上的电流为两带电线上的电流为111vI222vIaIIf2210a2f0m2211vv 两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力aEfe021212emff2

5、100vv221cvv001c在普通情况下，磁场力远小于电场力在普通情况下，磁场力远小于电场力2102211022aavv例例 求一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势求一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势解解 1Iaba2I1234xo121bBIf aIbI2102323bBIf aIbI4102方向向左方向向左方向向右方向向右aalBIf21222sindxIxIaad222102ln2210II24ff 整个线圈所受的合力：整个线圈所受的合力：4321ffffF31ff 线圈向左做平动线圈向左做平动31ff1324CDFABF二二. .磁场对平面载流线圈的作用磁场

6、对平面载流线圈的作用B1l2lDAFBCFDCBAIsin1BIlFFBCDA方向相反在同不断线上方向相反在同不断线上2BIlFFABCD0iF线圈无平动线圈无平动对中心的力矩为对中心的力矩为sin2sin211lFlFMCDABsin21BIl l1. 在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈n方向相反不在一条直线上方向相反不在一条直线上nl lnSS21BpMmnISpm令令B+ +nA(B)D(C)2. 磁场力的功磁场力的功dsinddBISMAmIBSId)cosd(mmmmIIIAmm)(d1221讨论讨论(1) 线圈假设有线圈假设有N 匝线圈匝线圈BpNMm(2

7、) M 作用下，磁通量添加作用下，磁通量添加0M0稳定平衡稳定平衡负号表示力矩作正功时负号表示力矩作正功时 减小减小非稳定平衡非稳定平衡0M(3) 非均匀磁场中的平面电流环非均匀磁场中的平面电流环0iF线圈有平动和转动线圈有平动和转动0M一一. .洛伦兹力公式洛伦兹力公式 实验结果实验结果qBvfsin,vBqf sinBqfv 安培力与洛伦兹力的关系安培力与洛伦兹力的关系ldIqsfBqNF vddBqfm vBlIF dBlnsqdvBNqv安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加9.6 9.6 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动v(1) 洛伦兹力一直

8、与电荷运动方向垂直，故洛伦兹力一直与电荷运动方向垂直，故讨论讨论对电荷不作功对电荷不作功f(2) 在普通情况下，空间中电场和磁场同时存在在普通情况下，空间中电场和磁场同时存在meffFBqEqvtp d/d二二. .带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动 BvBfqRmBq22sinvvqBmRvqBmRT22vmqBf2 粒子回转周期与频率粒子回转周期与频率情况情况v 普通情况普通情况 B/vvhcos/vvsinvv 带电粒子作螺旋运动带电粒子作螺旋运动qBmqBmRsinvvqBmThcos2/vv 磁聚焦原理磁聚焦原理 B粒子粒子源源A Avv /vv 很小时很小时qBm

9、Thvv2/接纳接纳器器 AA发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚v 减少粒子的纵向前进速减少粒子的纵向前进速度，使粒子运动发生度，使粒子运动发生“反射反射 磁约束原理磁约束原理 在非均匀磁场中，速度方向与磁场不同的带电粒子，也要作在非均匀磁场中，速度方向与磁场不同的带电粒子，也要作螺旋运动，但半径和螺距都将不断发生变化螺旋运动，但半径和螺距都将不断发生变化BqBmqBmRsinvvf/ffe磁场加强，运动半径减少磁场加强，运动半径减少 强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近 横向磁约束横向磁约束

10、 纵向磁约束纵向磁约束fff/fv在非均匀磁场中，纵向运动在非均匀磁场中，纵向运动遭到抑制遭到抑制 磁镜效应磁镜效应磁镜磁镜线圈线圈线圈线圈B高温等离子体高温等离子体 磁镜效应的典型运用磁镜效应的典型运用受控热核聚变实验研讨受控热核聚变实验研讨 能约束运动带电粒能约束运动带电粒子的磁场分布称为磁镜子的磁场分布称为磁镜约束约束 磁瓶磁瓶 地球的磁约束效应地球的磁约束效应 天然磁瓶天然磁瓶三三. .霍尔效应霍尔效应18791879年年 霍尔发如今一个通有电流的导体板上，假设垂直于霍尔发如今一个通有电流的导体板上，假设垂直于板面施加一磁场，那么板面两侧会出现微弱电势差板面施加一磁场，那么板面两侧会出

11、现微弱电势差( (霍尔效霍尔效应应) )Bqfm v横向电场力横向电场力: :洛伦兹力洛伦兹力: :0)(BqEqv当到达动态平衡时：当到达动态平衡时：实验结果实验结果dIBKUab受力分析受力分析dnqvlnqdIBUabnqK1BEhvlEuhabBlv(霍耳系数霍耳系数)SnqIvvldIBabqmfEEEqfe(方向向下方向向下)(方向向下方向向下)+(2) 区分半导体资料类型区分半导体资料类型 霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关B+abbauu ab+bauu 0K0KIIvqN 型半导体型半导体P 型半导体型半导体vq它是研讨半导体资料性质的有效方

12、法浓度随杂质、温它是研讨半导体资料性质的有效方法浓度随杂质、温度等变化度等变化B讨论讨论(1) 经过丈量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度经过丈量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度四四. 运动电荷的电磁场运动电荷的电磁场 qvEB2004rrqBv2004rrqErEcEBvv2001 高温导高温导电气体电气体B没有机械转动部分呵斥的没有机械转动部分呵斥的能量损耗能量损耗可提高效率可提高效率特点：特点：磁场是电场的运动效应磁场是电场的运动效应(3) 磁流体发电磁流体发电一一. 磁介质及其分类磁介质及其分类1. 磁介质磁介质 任何实物都是磁介质任何实物都是磁介质0E0EEE电介质放入外场电介质放

13、入外场0EE磁介质放入外场磁介质放入外场0BrBB0r 相对磁导率相对磁导率 反映磁介质对原场的影响程度反映磁介质对原场的影响程度 9.7 9.7 物质的磁性物质的磁性2. 磁介质的分类磁介质的分类顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质1r减弱原场减弱原场0BB 1r加强原场加强原场0BB 如如 锌、铜、水银、铅等锌、铜、水银、铅等如如 锰、铬、铂、氧等锰、铬、铂、氧等弱弱磁磁性性物物质质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1。铁磁质铁磁质)1010(421r通常不是常数通常不是常数具有显著的加强原磁场的性质具有显著的加强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质二二. 磁化机

14、理磁化机理原子中电子的轨道磁矩原子中电子的轨道磁矩1. 安培分子环流的概念和方法安培分子环流的概念和方法LmePl2电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩SmePs电子自旋磁矩电子自旋磁矩与轨道磁矩有与轨道磁矩有一样的数量级一样的数量级分子磁矩分子磁矩 一切电子磁矩的总和一切电子磁矩的总和immiPP抗磁质抗磁质0mP无外场作用时，对外不显磁性无外场作用时，对外不显磁性顺磁质顺磁质0mP无外场作用时，由于热运动，无外场作用时，由于热运动，对外也不显磁性对外也不显磁性0mP2. 磁介质的磁化磁介质的磁化evmPr0BffomP电子轨道半径不变电子轨道半径不变)(mPmP当外场方向与原子磁矩反方向时当外场方

15、向与原子磁矩反方向时emPr0BfomPfmP)(mP当外场方向与原子磁矩方向一样时当外场方向与原子磁矩方向一样时0B将顺磁质放入外场将顺磁质放入外场 分子环流在外场作用下，分子环流在外场作用下，产生取向转动，产生取向转动， 磁矩将转磁矩将转向外场方向向外场方向 宏观上宏观上产生附加磁场产生附加磁场0B1B1B结论：在外场作用下，电子产生附加的转动，从而构成附加结论：在外场作用下，电子产生附加的转动，从而构成附加的的mP, 附加磁矩也称感应磁矩总是与外场方向附加磁矩也称感应磁矩总是与外场方向B0B反，即产生一个与外场反向的附加磁场反，即产生一个与外场反向的附加磁场相相 抗磁质磁化抗磁质磁化在外

16、场作用下，每个分子中的一切电子都产生感应磁矩在外场作用下，每个分子中的一切电子都产生感应磁矩mPBB那么磁介质产生附加磁那么磁介质产生附加磁场场与外场方向相反与外场方向相反顺磁质磁化顺磁质磁化在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分子中的一切电在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分子中的一切电子也都产生感应磁矩。子也都产生感应磁矩。1BB21BBB那么磁介质产生附加磁场那么磁介质产生附加磁场1B与外场方向一样与外场方向一样三三. 有磁介质的磁高斯定理有磁介质的磁高斯定理0BBB磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾的闭合曲线磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾的闭合曲线(含磁介质的磁高

17、斯定理含磁介质的磁高斯定理)对于恣意闭合曲面对于恣意闭合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB四四. 有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理1. 束缚电流束缚电流0B以无限长螺线管为例以无限长螺线管为例定义：磁化强度定义：磁化强度 VPMm 磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强顺顺磁磁质质0I0ISI在磁介质内部的任一小区域：在磁介质内部的任一小区域：相邻的分子环流的方向相反相邻的分子环流的方向相反在磁介质外表处各点：在磁介质外表处各点：分子环流未被抵消分子环流未被抵消构成沿外表流动的面电流构成沿外表流动的面电流SI束缚电流束缚电流VPMm

18、i结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。顺顺磁磁质质0ISIabcdiLIlB0d) (00SINI )(00abiNI nMi束缚电流密度束缚电流密度2. 磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理LLlMNIlBdd000用磁化强度描画束缚电流项用磁化强度描画束缚电流项可证明可证明:000d)(NIlMBLiI0定义磁场强度定义磁场强度MBH00dIlHL(磁介质的安培环路定理磁介质的安培环路定理)磁介质内磁场强度沿所选闭合途径的环流等于闭合积分途径磁介质内磁场强度沿所选闭合途径的环流等于闭合积分途径所包围的一切传导电流的代数和。所包围的一切

19、传导电流的代数和。讨论讨论 束缚电流与磁化强度束缚电流与磁化强度xyzM i i设单位长度上的束缚电流为设单位长度上的束缚电流为沿沿Z Z方向磁化的介质体元方向磁化的介质体元）内LIlML( d取恣意闭合回路取恣意闭合回路 L L，那么磁化强度，那么磁化强度M M 沿沿L L 的积分等于穿过此的积分等于穿过此积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。 (普遍关系式普遍关系式)ziI SIPmzyxi iVPMm那么，它产生的磁矩那么，它产生的磁矩nMixyzM i介质侧面上的束缚电流强度介质侧面上的束缚电流强度(3) 对于各向同性介质，在外磁场不太强的

20、情况下对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下HMHMmm 介质的磁化率介质的磁化率MHB00Hm0)1 (00BrHHBr0一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解磁感应强度。磁感应强度。一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率1r(2) 介质内外界面上的束缚电流密度介质内外界面上的束缚电流密度例例求求解解 根据磁介质的安培环路定理根据磁介质的安培环路定理IrHlHL2drIH2/(1) 磁介质中的磁化强度和磁感应强度磁介质中的磁化强度和磁感应强度r2R1RIrHH1HMrm)(rIr2) 1(rIHBrr200由磁化强度与束缚电流密度的关系由磁化强度与束缚电流密度的关系nMi内界面内界面:1112) 1(RIMir外界面外界面:222) 1(RIir1i2i五五. .铁磁质铁磁质主要特征主要特征在外场中，铁磁质可使原磁场大大加强。在外场中，铁