第七章__磁场对电流的作用___磁介质

1、编制：编制：基本要求基本要求1.掌握洛仑兹力，并会应用；掌握洛仑兹力，并会应用；2.掌握安培定律，并会运用；掌握安培定律，并会运用；3.掌握磁矩磁力矩的计算方法；掌握磁矩磁力矩的计算方法；4.掌握磁介质和磁导率等概念，并会运用磁场掌握磁介质和磁导率等概念，并会运用磁场强度的安培环路定理计算磁感应强度强度的安培环路定理计算磁感应强度.1.7-1 磁场对运动电荷的作用力磁场对运动电荷的作用力7-2 磁场对电流的作用磁场对电流的作用第七章第七章 磁场对电流的作用磁场对电流的作用 磁介质磁介质7-3 磁介质磁介质(Magnetic Field to Electric Current Function,

2、 Magnetic Medium) .2.一、带电粒子在磁场中运动时所受的力一、带电粒子在磁场中运动时所受的力BvqF 7-1 磁场对运动电荷的作用力磁场对运动电荷的作用力FvBFvBFvB注意注意:.系的运动速度系的运动速度是以磁场为参照是以磁场为参照v洛仑兹力洛仑兹力(Magnetic Field is to The Acting Force of Sports Electric Charge );不不作作功功洛洛仑仑兹兹力力 FvF 1.).3.2.) 洛仑兹力不改变电荷速度大小，只改变速度方向洛仑兹力不改变电荷速度大小，只改变速度方向;3.) 洛仑兹力方向还可用左手定则判断洛仑兹力方向

3、还可用左手定则判断.二、带电粒子在电场和磁场中运动时受的力二、带电粒子在电场和磁场中运动时受的力BvqEqF 三、带电粒子在均匀磁场中运动三、带电粒子在均匀磁场中运动0vFR B作匀速率圆周运动作匀速率圆周运动进入磁场进入磁场Bv 0. 1RvmBvq200 qBvmR0 02vRT q m (演示演示)周周期期轨道半径轨道半径qBm 2 .4.B进进入入磁磁场场角角成成与与 Bv0. 2(演示演示)q m 0v/v v 周周期期qBvmR qBvm sin0 vRT 2qBm 2 螺螺距距/vTh qBvm cos20 轨道半径轨道半径v应用：回旋加速器应用：回旋加速器(演示演示).5.载流

4、导体放在磁场中，若磁场与载流导体放在磁场中，若磁场与电流方向垂直，则在与磁场和电电流方向垂直，则在与磁场和电流方向垂直方向上会出现电势差流方向垂直方向上会出现电势差.四、霍耳效应四、霍耳效应v可以用可以用洛仑兹力洛仑兹力解释，精确的解释只能用电子的解释，精确的解释只能用电子的量子理论量子理论. BIBIn型半导体，型半导体，载流子为载流子为电子电子p型半导体，载流型半导体，载流子为子为空穴空穴(带正电带正电)U IB (演示演示).6.7-2 磁场对电流的作用磁场对电流的作用一、安培定律一、安培定律: FdBIlId任意电流元任意电流元 受磁力为受磁力为lIdBlIdFd )(lBlIdFv有

5、限长度电流所受安培力有限长度电流所受安培力2.)安培力的实质是安培力的实质是洛仑兹力洛仑兹力;注注: 1.) 称为称为安培力安培力;Fd3.) 不包括不包括 产生的磁场产生的磁场.BlId(Magnetic Field is to The Effect of Current ).7.(演示演示)二、安培定律的应用二、安培定律的应用B 1.直线电流所受安培力直线电流所受安培力lIBlIF sinIBlF F2.平行无限长载流直线平行无限长载流直线 电流间的相互作用力电流间的相互作用力dl2dl1I2I1a12B21B21Fd12Fd121112BdlIdF aIIdldF 2120112 aII

6、dldF 2120221 同同理理v可见可见,单位长度载流直线单位长度载流直线 所受安培力相等所受安培力相等.12012dlaII .8.三、磁矩和三、磁矩和磁力矩磁力矩 1、载流线圈的载流线圈的磁矩磁矩:n定义定义nISSIPm I 通过线圈的电流通过线圈的电流S 平面线圈的面积平面线圈的面积n 线圈平面法线方向单位矢量，与电流线圈平面法线方向单位矢量，与电流 流向满足右手螺旋规则流向满足右手螺旋规则IS注：注：带电粒子作圆或椭圆轨道运动及自旋运动时，带电粒子作圆或椭圆轨道运动及自旋运动时，也具有磁矩，仍可用上述磁矩的定义确定也具有磁矩，仍可用上述磁矩的定义确定;引入引入磁矩概念的意义磁矩概

7、念的意义: 描述描述载流线圈载流线圈或或环形运动环形运动电荷电荷在磁场中的状态较为方便在磁场中的状态较为方便.9.(俯视图俯视图)OO,n acFbdFBBl1l22、平面载流线圈在均匀磁场中所受的平面载流线圈在均匀磁场中所受的 磁力矩磁力矩 MBbdBac 如图，通有电流如图，通有电流I的矩形导线的矩形导线框可绕框可绕OO，轴转动轴转动由安培定律可知由安培定律可知dcbaI .a(c)b(d)IIcdabFF IBlFFbdac2 磁力磁力Fac 和和Fbd产生的力矩为产生的力矩为 sin21lFMacac sin21lFMbdbd .10.磁力矩磁力矩定义：定义：BPMm bdacMMM

8、线圈所受合力矩大小为线圈所受合力矩大小为注意注意: 1. 上式对于在均匀磁场中任意形状的平面上式对于在均匀磁场中任意形状的平面线圈均成立；线圈均成立； 2. 带电粒子作圆或椭圆轨道运动及带电粒子作圆或椭圆轨道运动及自旋运动时，其磁力矩也可由上式计算自旋运动时，其磁力矩也可由上式计算.v如果场点与平面线圈的距离远远大于平面线圈的如果场点与平面线圈的距离远远大于平面线圈的平均线度，则该线圈称为平均线度，则该线圈称为磁偶极子磁偶极子.磁偶极矩磁偶极矩mp sin21lIBl sinBPm sinIBS .11.Bo R 解解: 设环上所带电荷量为设环上所带电荷量为QTQI BSIBPMm ISBM

9、Imp BR3 SIpm /22 R R nRR2 则圆环旋转时，其上所有电荷则圆环旋转时，其上所有电荷元都在旋转，形成环形电流为元都在旋转，形成环形电流为的方向如图所示的方向如图所示MM例题例题1：磁感应强度为磁感应强度为B 的均匀磁场中放一均匀带正的均匀磁场中放一均匀带正电细圆环，半径为电细圆环，半径为R，电荷线密度为，电荷线密度为 ，当圆环绕通，当圆环绕通过环心且与环面垂直的转轴以角速度过环心且与环面垂直的转轴以角速度 转动时，求转动时，求圆环的磁矩圆环的磁矩 和受到的磁力矩和受到的磁力矩 . Mmp.12.oXx 例题例题2: 长为长为 l 的细杆均匀分布着电荷的细杆均匀分布着电荷 q

10、，杆绕垂直，杆绕垂直于杆并经过其中心的轴，以恒定角速度于杆并经过其中心的轴，以恒定角速度 旋转，求旋转，求此旋转带电杆的磁矩大小此旋转带电杆的磁矩大小.解解: 如图所示，电荷元如图所示，电荷元dq形成的环行电流为形成的环行电流为TdqdI /2dx dxlq 2 dISdpm 因所有电荷元形成的环行电流的磁矩方向相同因所有电荷元形成的环行电流的磁矩方向相同故故 mmdpp 2222lldxxlq dxlqx 22 dxxlq22 242lq ldqdx.13.B FIFFFFabl四、磁力的功四、磁力的功:1. 磁力对载流导线的功磁力对载流导线的功abFW 2. 磁力对载流线圈的功磁力对载流线

11、圈的功B .FF n .n d可以证明：可以证明： MddW dBISdWsin IdBSId )cos(abIBl SIB I 负号负号表示表示 增大时增大时 ，磁力作负功磁力作负功 ) 0( d IIdW 21(普适普适).14.7-3 磁介质磁介质处在磁场中的所有物质对磁场都有影响，因而处在磁场中的所有物质对磁场都有影响，因而，一切物质都可以认为是，一切物质都可以认为是磁介质磁介质； 一、磁介质一、磁介质处在磁场中的物质，其内的运动电荷受磁力作用处在磁场中的物质，其内的运动电荷受磁力作用而发生运动状态的变化，称为而发生运动状态的变化，称为磁化磁化. (Magnetic Medium) r

12、 称称为介质的为介质的相对磁导率相对磁导率.0BBr 定义定义:磁化后介质中磁化后介质中的磁感应强度的磁感应强度外磁场的磁感外磁场的磁感应强度应强度(演示演示).15.1 r 顺磁质顺磁质(附加场附加场 与与 同向，同向，BB0)B 0B抗磁质抗磁质(附加场附加场 与与 反向，反向，BB0)B 0B1 r 1 r 三、磁介质中的环路定理三、磁介质中的环路定理二、磁场强度二、磁场强度rBH 0 ro )( 内内传传导导LiiLIl dH(各向同性均匀磁介质各向同性均匀磁介质)称为介质的称为介质的磁导率磁导率注：注：由于导体由于导体 r 1，通常计算中按，通常计算中按 r=1 .令令HB .16.

13、v注注: 当当各向同性均匀各向同性均匀磁介质存在于磁场所在空间磁介质存在于磁场所在空间时，涉及磁场公式中的时，涉及磁场公式中的 0 通常均可换成通常均可换成 .例例:aIB 2 RIB2 nIB 四、铁磁质四、铁磁质1、铁磁质的宏观性质、铁磁质的宏观性质1.) ，可使原磁场大幅度增强；，可使原磁场大幅度增强；1 r 2.) 与磁化历史有关，与磁化历史有关，B与与H 是非线性关系是非线性关系.r 2、磁滞现象、磁滞现象(演示演示).17.铁磁质在开始磁化时，铁磁质在开始磁化时，B随随H 增大而非线性增大；增大而非线性增大；H 外磁场磁场强度外磁场磁场强度( 通常通常H = nI )B 铁磁质中磁

14、感应强度铁磁质中磁感应强度 达到达到磁化曲线磁化曲线上上 a点时，点时，称为称为磁饱和磁饱和，B不再随不再随H 增增大而增大；大而增大；rB cHcH rBaa mB起始磁起始磁化曲线化曲线磁滞磁滞回线回线磁饱和磁饱和减弱外磁场减弱外磁场H直至直至H=0，铁磁质中磁感应强度减小为铁磁质中磁感应强度减小为Br、Br 称为称为剩磁剩磁；BHo.18.B和和H既非线性关系，也非单值函数关系，表明铁既非线性关系，也非单值函数关系，表明铁磁质的磁导率磁质的磁导率 与外磁场与外磁场H有关有关.总之，总之，铁磁质中磁铁磁质中磁感应强度感应强度B的变化，总落后于外磁场的磁场强度的变化，总落后于外磁场的磁场强度

15、H的变化，称为的变化，称为磁滞现象磁滞现象，图中的，图中的闭合曲线闭合曲线称为称为磁滞磁滞回线回线. 若加反向磁场至若加反向磁场至 -Hc时，时，B=0，剩磁消失，剩磁消失， Hc称称为为矫顽力矫顽力，反映铁磁质保存剩磁的能力；，反映铁磁质保存剩磁的能力；)/1010,/10(642mAmAHc一一般般 3、铁磁质的分类和应用、铁磁质的分类和应用1.)硬磁材料硬磁材料.19.特点：特点：剩磁大、矫顽力大剩磁大、矫顽力大. ( 磁滞回线磁滞回线“胖胖”) 例如：铁、钴、镍的合金等例如：铁、钴、镍的合金等 用途：作电表、喇叭、录音机磁用途：作电表、喇叭、录音机磁头、磁芯头、磁芯(记忆元件记忆元件)

16、等等永久磁铁永久磁铁.rB cHcH rBBHomB2.)软磁材料软磁材料特点：特点：剩磁小、剩磁小、 矫顽力小矫顽力小(磁滞回线磁滞回线“瘦瘦”) (Hc102 A/m，一般，一般1 A/m).20.v铁芯在交变磁场中反复磁化铁芯在交变磁场中反复磁化要消耗能量，要消耗能量， 并以热的形式放并以热的形式放出，称为出，称为“磁损磁损” (或或“铁损铁损”).用途：可作变压器、镇流器、用途：可作变压器、镇流器、电磁铁等的电磁铁等的铁芯铁芯.可以证明，可以证明， 磁损与磁滞回线磁损与磁滞回线的面积成正比的面积成正比. 例如：纯铁、硅钢、坡莫合金例如：纯铁、硅钢、坡莫合金(铁铁78%，镍，镍22%)等等cHrBBHomB.21.本章学习指导本章学习指导1.洛仑兹力洛仑兹力:BvqF 一、磁场对运动电荷、电流的作用力一、磁场对运动电荷、电流的作用力2.霍耳效应霍耳效应:BlIdFd 3.安培定律安培定律