大学物理 下册 课件 第9章 稳恒磁场

第五章稳恒磁场《大学物理》

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一、磁现象2000多年前战国时期，中国发现天然磁石，对治疗耳病有作用，亦称为慈石。汉代发明司南（指南针），成为中国四大发明之一。5§5.1毕奥—萨伐尔定律

一、磁现象1820年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现了电流的磁效应。HansChristianOersted（1777-1851）奥斯特实验示意动画6安培的分子电流假说(1)1822年安培提出分子电流解释磁性起源。André-MarieAmpère（1775-1836）

物质的分子中存在着环形电流（分子电流），每个分子电流是一个基元磁体，当这些分子电流作规则排列时，宏观上显示出磁性。(2)近代分子电流的概念：轨道圆电流＋自旋圆电流＝分子电流

一、磁现象7

一、磁现象电流

电流I1I2磁体电流

SINI电流

磁体INSNS磁体

磁体运动电荷运动电荷磁场8

二、磁感应强度运动电荷运动电荷磁场1.磁场2.电荷在磁场中受力特点+

带电粒子在磁场中运动所受的力与运动方向有关.

实验发现带电粒子在磁场中沿某一特定直线方向运动时不受力，此直线方向与电荷无关.+9

二、磁感应强度②当带电粒子在磁场中垂直于此特定直线运动时受力最大.①带电粒子在磁场中沿其他方向运动时

垂直于与所组成的平面.③最大磁力大小正比于运动电荷电量和电荷速率的乘积，即有10

二、磁感应强度+3.磁感强度的定义：大小:方向：电荷受力时的运动方向；11磁感应强度的单位：特斯拉地球的南、北两极约为6×10-5T

；一般永磁体约

0.05~2T

；中子星磁场108T

；人体磁场10－12T

；目前利用超导材料已能取得40T

的强磁场。

二、磁感应强度12§5.2

毕奥-萨伐尔定律西南石油大学唐斌《大学物理》

一、电流产生磁场1820年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现了电流的磁效应。HansChristianOersted（1777-1851）奥斯特实验示意动画141820年，法国物理学家让·巴蒂斯特·毕奥与菲利克斯·萨伐尔通过实验得到载流导线对磁极作用力关系，在法国数学家拉普拉斯的帮助下得到毕奥-萨伐尔定律。FélixSavart（1791-1841）Pierre-SimonLaplace（1749-1827）Jean-BaptistBiot（1774-1862）

一、电流产生磁场15

二、电流元电流元定义：方向为：该处沿电流流向的切向电流元大小为：电流元为：载流导线微分为一微元段16

三、毕奥-萨伐尔定律μ0

称为真空磁导率,在国际单位制中:电流元在空间点产生的磁场的大小为：P*17任意载流导线在P点处的磁感应强度：毕奥－萨伐尔定律是在实验基础上结合理论推导得出的结果。P*

三、毕奥-萨伐尔定律18

四、运动电荷的磁场19

电流是运动电荷形成的，归根结底磁场是由运动电荷产生的，运动电荷产生磁场分布情况又如何呢？20

四、运动电荷的磁场Sn,q电荷数密度横截面积电荷数单个电荷产出的磁场21

四、运动电荷的磁场正运动电荷的磁场负运动电荷的磁场+×运动电荷的磁场**§5.3

磁场高斯定理西南石油大学唐斌《大学物理》23

一、磁感线24

一、磁感线25

一、磁感线条形磁铁周围的磁感线

一、磁感线26切线方向—的方向。

为了形象的反应磁场的分布情况,用磁感线的疏密表示磁场的强弱,磁感线上某点的切线方向表示磁场的方向。疏密程度—的大小。27

一、磁感线

（1）载流导线周围的磁感线是围绕电流的闭合曲线,没有起点,没有终点。

（2）磁场中某点的磁场方向是确定的,磁场中的磁感线不会相交。（3）磁感线和电流满足右手螺旋法则。性质28

二、磁通量1.磁感应强度与磁感线的定量关系

为了描述磁场的强弱,规定磁场中某点处垂直于的单位面积上通过的磁感线数目,等于该点

的数值。29

二、磁通量2.磁通量：通过某曲面的磁感线数。匀强磁场下：通过面积S的磁通量为：一般情况：单位：30对闭合曲面,磁感线

穿出为正，穿入为负。闭合曲面的磁通量：

二、磁通量问题：31

三、磁场的高斯定理

物理意义：通过任意闭合曲面的磁通量必等于零（故磁场是无源场），磁单极不存在。磁场的高斯定理：通过任意闭合曲面的磁通量等于零。32

三、磁场的高斯定理

寻找磁单极子的实验研究具有重要的理论意义。但至今还没发现磁单极子。1931，迪拉克（P.A.M.Dirac1902-1984）指出，已有的量子理论允许存在磁单极子。如果在实验中找到了磁单极子，磁场的高斯定理和整个电磁理论就要作重大的修改。

人们仍然认为：磁场是电流或变化的电场产生的。33

四、磁通量计算例题如图载流长直导线的电流为I

。求:

通过矩形面积的磁通量。解:§5.4安培环路定理西南石油大学唐斌《大学物理》静电场:磁场:静电场的环流为零，静电场是保守场。35

一、安培环路定理磁场的环流与环路中所包围的电流有关。

以无限长载流直导线为例设闭合回路l为圆形回路

(l与I成右螺旋关系)o36磁场的环流或环量1.若回路绕向为逆时针

一、安培环路定理2.若回路绕向为顺时针o37电流方向与积分回路方向呈右螺旋关系I>0；反之I<0。

一、安培环路定理3.对任意形状的回路38

一、安培环路定理电流在环路以外，它对磁场的环流没有贡献。4.积分环路不包围电流39

一、安培环路定理等于把磁场对环路投影的积分。5.积分环路不平行垂直平面磁场环流为

40

一、安培环路定理6.多个电流I1I2I3I4P

点的磁感应强度为磁场环流为

一、安培环路定理在真空的恒定磁场中,磁感强度沿任一闭合路径的积分的值,等于乘以该闭合路径所穿过的各电流的代数和。说明:以上推导中只分析了直电流情况，实际上对所有形状电流，只要穿过了闭合路径都是成立的。

一、安培环路定理,反之。(1)积分回路方向与电流方向呈右螺旋关系。满足右螺旋关系时不代表磁力的功,是磁场与电流的关系。(2)磁场是有旋场—电流是磁场涡旋的轴心。分析43(3)环流只与穿过环路的电流有关，环路上各点的磁场为所有电流的贡献。

一、安培环路定理利用安培环路定理,可以计算具有一定对称性分布的载流导线周围的磁场分布。1.根据电流分布的对称性,分析磁场分布的对称性。2.选取适当的闭合回路L。44二、安培环路定理的应用3.根据右手螺旋法则判定电流的正负,求出闭合回路所包围电流的代数和。4.根据安培环路定理列出方程式,最后解出磁感应强度分布。例1.

无限长载流圆柱体的磁场。解:(1)

对称性分析(2)45二、安培环路定理的应用的方向与I成右螺旋46二、安培环路定理的应用§5.5洛伦兹力西南石油大学唐斌《大学物理》

一、洛伦兹力大小：

方向：右手螺旋法则

电量为q

的带电粒子,其速度为,在磁场中受到磁场力—洛仑兹力的作用:例1.判断下面两种情况的洛伦兹力方向？

正电荷受力向里负电荷受力向外

一、洛伦兹力1.速度方向与磁场方向垂直

洛仑兹力提供向心力，粒子做匀速圆周运动。周期：回旋半径：

周期由荷质比决定！

一、洛伦兹力二、应用：粒子加速器-回旋加速器

直线加速器

缺点：体积大占地面积大

斯坦福大学直线加速器

两英里长的直线加速区

能不能建一种在较小空间实现多次加速的加速器？欧内斯特·劳伦斯(ErnestOrlandoLawrence)，美国，1932年设计和制造第一台高能粒子回旋加速器，并获得1939年度诺贝尔物理学奖。回旋加速器演示a一对D形盒b盒间交变电场c竖直方向强磁场二、应用：粒子加速器-回旋加速器二、应用：粒子加速器-回旋加速器水平方向：匀速直线运动竖直面内：匀速圆周运动螺旋线运动！螺距：

2.带电粒子以倾角斜入射圆运动半径：把一束相同的带电粒子经过相同电压加速后，从一个狭长的小缝A射入均匀磁场中，出现的带电粒子汇聚的现象。三、磁聚焦

1.磁聚焦现象圆半径不同，螺距相同，一个周期后汇聚。

若很小相同的加速电压保证了什么？从狭长的小缝入射保证了什么？三、磁聚焦

2.磁聚焦分析光学显微镜放大倍数2000倍光学仪器分辨本领扫描透射电镜300万倍，可以直接观察原子。

玻璃透镜对光线聚焦作用-光学显微镜

载流线圈对电子聚焦作用-电子显微镜可见光的中心波长电子德布罗意波长～0.1nm

三、磁聚焦

2.磁聚焦应用-电子显微镜电子显微镜电子显微镜下的纳米ZnO扫描透射电镜300万倍，可以直接观察原子。三、磁聚焦

2.磁聚焦应用-电子显微镜§5.6安培力西南石油大学唐斌《大学物理》

一、安培力洛仑兹力电荷在磁场中受力：

洛伦兹力电流在磁场中受力：

安培力微观宏观电荷作宏观定向移动电流601.安培力一个粒子受洛仑兹力：dN个粒子受洛仑兹力：Sn,q

一、安培力61电流元所受的安培力大小：方向：右手螺旋有限长载流导线所受的安培力

一、安培力62匀强磁场中长为L的直线电流受力：每段电流元受力方向相同，

故可直接积分：当，F=BIL——中学所学

二、安培力计算63例1.

一个圆柱形磁铁N极正上方，水平放置一半径为R,载流为I的圆形线圈，其电流流向为顺时针（俯视）。线圈所在处，磁感矢量与竖直方向成角，求载流线圈所受的安培力。zRI

二、安培力计算64zRI解：取如图电流元其受力由对称性分析可知，力沿着Z轴正向。方向如图磁悬浮

二、安培力计算65

三、磁悬浮上海磁悬浮列车——世界第一条磁悬浮列车示范运营线全长29．863公里，时速430公里，全程只需8分钟。2003年1月4日正式开始商业运营。662016年5月6日，中国首条具有完全自主知识产权的中低速磁悬浮商业运营示范线——长沙磁浮快线开通试运营。全长18.55千米，时速为100公里。是世界上最长的中低速磁浮运营线。

三、磁悬浮67北京首条中低速磁浮交通示范线―S1线，我国建成的第二条具有自主知识产权的中低速磁浮交通示范线。

三、磁悬浮68

思考：直流电动机工作原理1834年，雅可比（德国）发明了直流电动机。CarlGustavJacob（1804-1851）直流电动机模型69西南石油大学唐斌《大学物理》§5.7磁介质§5.7磁介质西南石油大学唐斌《大学物理》物质的运动：力学：研究机械运动规律的学科机械运动分子热运动电磁运动微观粒子运动……第1章质点运动学磁记录73磁感应强度

磁化后的磁介质产生附加磁场,对原磁场产生影响。放入磁场中能够显示磁性，并影响原磁场的物质，称为磁介质。磁介质一、磁介质的分类74电介质放入外电场中相对介电常数磁介质放入外磁场中相对磁导率

反映磁介质的性质。

75一、磁介质的分类1.顺磁质

（铝、氧、锰等）弱磁质3.铁磁质（铁、钴、镍等）强磁性物质2.抗磁质（铜、铋、氢等）弱磁质76一、磁介质的分类1.分子电流与分子磁矩

构成物质的分子或原子中,每个电子绕原子核作轨道运动,具有轨道磁矩；电子本身还有自旋,具有自旋磁矩。二、顺磁性和抗磁性的微观解释io分子电流

分子中所有电子的各种磁矩总和构成固有磁矩：

固有磁矩可以看成由一个等效圆形分子电流i

产生。772.无外磁场作用时的抗磁质与顺磁质时的顺磁质

二、顺磁性和抗磁性的微观解释顺磁质各电子磁矩总和，由于热运动，分子磁矩取向杂乱，对外不显磁性。抗磁质各电子磁矩总和,对外不显磁性。783.有外磁场作用时的顺磁质

分子的固有磁矩受力矩作用,趋于外磁场方向排列。但由于分子热运动的影响,各分子固有磁矩的取向不可能完全整齐,外磁场越强,排列越整齐。

由于这种取向排列使原磁场得到加强,但这种加强很小。无外磁场有外磁场79二、顺磁性和抗磁性的微观解释

在没有外加磁场时，没有分子电流，固有磁矩为零。4.有外磁场作用时的抗磁质I

加上外磁场时，形成分子电流，产生分子磁矩。80二、顺磁性和抗磁性的微观解释1.磁介质的磁化束缚电流磁化后,