2024年度《大学物理上》第七章恒定磁场

《大学物理上》第七章恒定磁场12024/3/23目录恒定磁场基本概念与性质恒定电流产生磁场恒定磁场中物质性质恒定磁场中能量转换与储存恒定磁场中力学效应恒定磁场在生活、科技领域应用22024/3/23恒定磁场基本概念与性质0132024/3/23磁感应强度磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，用符号B表示，单位为特斯拉（T）。在磁场中某一点，磁感应强度的方向就是该点的磁场方向，大小则与该点的磁场强弱成正比。磁场磁场是存在于磁体周围的一种特殊物质，它对放入其中的磁体产生磁力作用。磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用。磁场与磁感应强度42024/3/23为了形象地描述磁场，在磁场中画出一系列有方向的曲线，这些曲线在磁场中的每一点的切线方向都表示该点的磁场方向，这样的曲线叫做磁感线。在磁场中，任意一点的磁场方向定义为该点的小磁针静止时北极所指的方向。在磁体外部，磁感线从N极指向S极；在磁体内部，磁感线从S极指向N极。磁感线磁场方向磁感线及磁场方向52024/3/23恒定磁场是一种无散度、有旋度的矢量场，它的性质可以用麦克斯韦方程组来描述。恒定磁场中的磁力线是闭合的，没有起点和终点。磁力线在空间中不相交，也不中断。恒定磁场中的磁力对运动电荷和电流有作用，但对静止电荷没有作用。恒定磁场的强弱可以用磁感应强度B来描述，B的大小和方向由磁场本身决定，与放入其中的磁体无关。恒定磁场性质62024/3/23恒定电流产生磁场0272024/3/23奥斯特实验01首次揭示了电流能够产生磁场的现象，为电磁学的发展奠定了基础。安培环路定理02描述了磁场与电流之间的关系，指出磁场沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径所包围面积的电流代数和的μ0倍。安培环路定理的应用03可用来计算长直导线、圆形载流导线等电流分布产生的磁场。奥斯特实验与安培环路定理82024/3/2301长直导线周围的磁场分布规律离导线越近，磁场越强；离导线越远，磁场越弱。02磁场方向与电流方向的关系根据右手螺旋定则，磁场方向垂直于电流方向，且符合右手螺旋方向。03长直导线磁场的计算利用安培环路定理或毕奥-萨伐尔定律可计算长直导线周围的磁场分布。长直导线周围磁场分布92024/3/23圆形载流导线周围的磁场分布规律01在导线内部，磁场方向与电流方向相同；在导线外部，磁场方向与电流方向相反。02圆形载流导线磁场的计算利用安培环路定理或毕奥-萨伐尔定律可计算圆形载流导线周围的磁场分布。03圆形载流导线与长直导线的比较圆形载流导线的磁场分布更加均匀，且在导线中心处磁场为零；而长直导线的磁场在导线中心处最强。圆形载流导线周围磁场分布102024/3/23恒定磁场中物质性质03112024/3/23磁矩为零，磁化率为负值且绝对值很小，如Cu、Ag等金属。抗磁性磁矩不为零，磁化率较大，相邻磁矩反向排列但不等量，如Fe3O4等化合物。亚铁磁性磁矩不为零，磁化率为正值且很小，如O2、N2等分子。顺磁性磁矩不为零，磁化率很大，存在磁畴结构和自发磁化现象，如Fe、Co、Ni等金属。铁磁性磁矩为零，磁化率较小，相邻磁矩反向排列，如MnO等化合物。反铁磁性0201030405物质磁性分类及特点122024/3/23磁化过程铁磁质在外磁场作用下，其内部磁畴的磁矩方向逐渐转向外磁场方向，从而使铁磁质被磁化的过程。该过程可分为可逆的畴壁移动和不可逆的磁矩转动两个阶段。磁滞现象当铁磁质被磁化到饱和状态后，若减小外磁场强度H，则铁磁质的磁感应强度B并不沿原曲线返回，而是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。磁滞回线表示铁磁质在周期性交变磁场中的B-H关系曲线。该曲线所包围的面积表示铁磁质在交变磁场中反复被磁化所消耗的能量。铁磁质磁化过程与磁滞现象132024/3/23变压器利用铁芯（铁磁质）的高导磁性，实现电压的变换和电流的传输。电动机利用通电导线在磁场中受力的原理，将电能转换为机械能。其中，定子通常采用铁芯绕制线圈以产生恒定磁场。发电机利用导体在磁场中运动产生感应电动势的原理，将机械能转换为电能。其中，转子通常采用铁芯绕制线圈以产生恒定磁场。电磁铁利用线圈通电后产生的磁场来吸引或排斥铁磁性物质，从而实现开关、制动等控制功能。铁磁质应用举例142024/3/23恒定磁场中能量转换与储存04152024/3/23磁场能量密度的定义单位体积内的磁场能量。公式推导从磁场的基本定律和磁感应强度的定义出发，结合磁场中的能量守恒定律，推导出磁场能量密度的公式。公式形式磁场能量密度=(1/2)×磁感应强度B的平方×磁介质常数μ0。磁场能量密度公式推导162024/3/23磁场与电流相互作用当导线或线圈在磁场中运动时，会在其中产生感应电动势，从而实现磁场能量与电能的相互转换。洛伦兹力与安培力做功洛伦兹力和安培力是磁场对运动电荷和电流的作用力，它们在磁场中做功，实现磁场能量与其他形式能量的转换。磁滞损耗和涡流损耗在铁磁材料中，由于磁畴的转动和畴壁的移动需要消耗能量，因此会产生磁滞损耗。同时，变化的磁场会在导体中产生涡流，从而产生涡流损耗。这些损耗都是磁场能量转换为热能的过程。能量转换过程分析172024/3/23计算磁场储能的公式通过计算磁场中的磁感应强度分布，结合磁场能量密度的公式，可以计算出磁场中储存的能量。计算步骤首先确定磁场的分布和范围，然后计算各点的磁感应强度，最后利用磁场能量密度的公式进行积分计算，得出整个磁场中储存的能量。应用举例在电机、变压器等电气设备中，通过计算磁场储能可以评估设备的性能和设计参数。同时，在电磁炮、磁悬浮列车等高科技应用中，也需要对磁场储能进行精确的计算和控制。储存能量计算方法182024/3/23恒定磁场中力学效应05192024/3/23根据洛伦兹力定律，当电荷在磁场中运动时，会受到一个与电荷速度方向和磁场方向都垂直的力，即洛伦兹力。其大小可表示为F=qvBsinθ，其中q为电荷量，v为电荷速度，B为磁感应强度，θ为v与B之间的夹角。洛伦兹力公式推导洛伦兹力在粒子加速器、质谱仪和回旋加速器等装置中有广泛应用。例如，在粒子加速器中，利用洛伦兹力使带电粒子在磁场中做回旋运动，并通过电场加速，从而获得高能量。应用举例洛伦兹力公式推导及应用举例202024/3/23霍尔效应原理当电流通过一个位于磁场中的导体时，会在垂直于电流和磁场的方向上产生一个电势差，这种现象称为霍尔效应。其产生原因是由于磁场对导体中载流子的洛伦兹力作用，使得载流子在导体两侧聚集形成电势差。应用举例霍尔效应在测量磁场、电流和载流子类型等方面有广泛应用。例如，霍尔元件可用于测量磁场强度，其输出电势差与磁感应强度成正比。此外，利用霍尔效应还可以制作电流传感器和位置传感器等。霍尔效应原理及应用举例212024/3/23安培力当载流导线在磁场中受到力的作用时，会产生一个与电流和磁场方向都垂直的力，称为安培力。安培力的大小可表示为F=BILsinθ，其中B为磁感应强度，I为导线中的电流强度，L为导线在磁场中的有效长度，θ为B与I之间的夹角。磁力矩当磁矩在磁场中受到力的作用时，会产生一个力矩使磁矩发生转动，这个力矩称为磁力矩。磁力矩的大小可表示为M=m×B，其中m为磁矩矢量，B为磁感应强度矢量。其他力学效应简介222024/3/23恒定磁场在生活、科技领域应用06232024/3/23工作原理电磁铁是利用恒定磁场产生磁力的装置。当导线通电时，会在周围产生磁场，使得铁芯磁化，从而吸引或排斥其他铁磁性物质。电磁起重机利用电磁铁产生强大磁力，吸附和搬运钢铁等重物。电磁锁通过电磁铁控制锁舌的伸缩，实现门的开关。音响喇叭将音频信号转换为电流，通过电磁铁驱动振膜振动发出声音。电磁铁工作原理及应用举例242024/3/23电机是将电能转换为机械能的装置。在恒定磁场中，通电导体受到安培力的作用，从而产生旋转或直线运动。工作原理利用直流电产生恒定磁场，驱动电机旋转。直流电机利用交流电产生交变磁场，通过电磁感应驱动电机旋转。交流电机采用永磁体提供恒定磁场，无需外部励磁电源。永磁电机电机工作原理简介252024/3/23