稳恒磁场概要.ppt

1、1,第15章 稳恒磁场,主要内容,磁力与电荷的运动 磁场与磁感应强度 毕奥-萨伐尔定律 匀速运动点电荷的磁场 安培环路定理 利用安培环路定理求磁场分布 与变化电场相联系的磁场 电场和磁场的相对性和统一性,2,2,教学基本要求, 掌握描述磁场的物理量磁感强度的概念，理解它是矢量点函数., 理解毕奥萨伐尔定律，能利用它计算一些简单问题中的磁感强度., 理解稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理. 理解用安培环路定理计算磁感强度的条件和方法.,3,3,一、 基本磁现象,1、自然磁现象,磁性：具有能吸引铁磁物资(Fe、Co、Ni）的一种特性。,磁体：具有磁性的物体,磁极：磁性集中的区域,地磁：地球是一个大磁

2、体。,磁极不能分离，（正负电荷可以分离开）,15.1 磁力与电荷的运动,4,4,地核每400年比地壳多转一周,地球的磁极每隔几千年会发生颠倒,5,5,、 磁现象起源于运动电荷,后来人们还发现磁电联系的例子有： 磁体对载流导线的作用； 通电螺线管与条形磁铁相似； 载流导线彼此间有磁相互作用；,18191820年丹麦物理学家奥斯特首先发现了电流的磁效应。1820年4月，奥斯特做了一个实验，通电流的导线对磁针有作用，使磁针在电流周围偏转。,上述现象都深刻地说明了： 磁现象与运动电荷之间有着深刻的联系。,6,6,安培的分子电流假说,、磁力,、近代分子电流的概念： 轨道圆电流自旋圆电流分子电流,一切磁现

3、象都起源于电流，任何物质的分子中都存在着环形电流（分子电流），每个分子电流就相当于一个基元磁体，当这些分子电流作规则排列时，宏观上便显示出磁性。,1822年安培提出了用分子电流来解释磁性起源。,磁体与磁体间的作用； 电流与磁体间的作用； 磁场与电流间的作用； 磁场与运动电荷间的作用； 均称之为磁力。,7,磁力是运动电荷之间相互作用的表现,8,8,1、磁场 (magnetic field),1）磁力的传递者是磁场,2）磁场是由运动电荷所激发，参考系是观察者,3）磁场对外的重要表现,电流(或磁铁)磁场电流(或磁铁),静止电荷激发静电场 运动电荷可同时激发电场和磁场。,(1)磁场对进入场中的运动电荷

4、或载流导体有磁力的作用； (2)载流导体在磁场中移动时，磁场的作用力对载流导体作 功，表明磁场具有能量。,磁场与电场一样、是客观存在的特殊形态的物质。,15.2 磁场与磁感应强度,9,实验表明：,2、磁感应强度,利用磁感应强度来描述磁场,10,总结出：,SI单位：T (Tesla) or Wb/m2,1T=104G (Gauss),叠加原理：,磁通量：,SI单位：Wb,11,11,1、磁力线,常见电流磁力线：直电流，圆电流，通电螺线管的磁力线。,1）什么是磁力线？,2）磁力线特性,三、磁通量 磁场中的高斯定理,、磁力线是环绕电流的闭合曲线，磁场是涡旋场。 、任何两条磁力线在空间不相交。 、磁力

5、线的环绕方向与电流方向之间遵守右螺旋法则。,12,12,dm是穿过dS 面的磁力线条数（即磁通量）。,3）用磁力线描述磁场强弱,规定：通过垂直于磁力线方向的单位面积的磁力线数等于这一点磁感应强度的大小。即,B的另一单位,13,13,穿过磁场中某一曲面的磁力线总数，称为穿过该曲面的磁通量，用符号m表示。,3、磁场中的高斯定理,这说明 i)磁力线是无头无尾的闭合曲线， ii)磁场是无源场，磁场无磁单极存在。,2、磁通量,由于磁力线是无头无尾的闭合曲线，所以穿过任意闭合曲面的总磁通量必为零。,14,14,1）电流元的方向：为线段中 电流的方向。,1、 毕奥沙伐尔定律(The law of Boit

6、and Savart),15.3、毕奥沙伐尔定律,15,15,2）在（SI）制中,3）B 的方向 dB Idl 与r 组成的平面，且 dB 与dlr0 同向。,真空磁导率,16,16,整个载流导体在P点的磁感应强度则是电流元在P点产生的 dB 之矢量和,式中r0是电流元指向P点的矢径的单位矢。,电流元在P点产生的磁感应强度的矢量式为,17,17,2、 定律应用 由Idlr 确定电流元在 P点的 dB 的方向 将 d B 向选定的坐标轴投影，然后分别求出,18,18,（1）载流直导线的磁场：,解：取电流元Idl ，P点对电流元的位矢为r，电流元在P点产生的磁感应强度大小为,方向垂直纸面向里，且所

7、有电流元在P点产生的磁感应强度的方向相同，所以,19,19,设垂足为o,电流元离o点为l，op长为a，r 与a 夹角为,则,20,20,因为,所以,(请记住！),21,21,关于 角的有关规定：,长直电流的磁场, 角增加的方向与电流方向相同，则为正，反之，则为负,(请记住！),22,22,半长直电流的磁场,半长直电流：垂足与电流的一端重合，而直电流的另一段是无限长。,23,23,（2） 圆电流的磁场,解：,由于对称性,24,24,所以,即,25,25,轴线上任一点P的磁场,圆电流中心的磁场, 圆电流的中心的,1/n 圆电流的中心的,(请记住！),26,26,长直电流与圆电流的组合例求下各图中O

8、点的B的大小,27,27,求如图所示的电流中球心O的磁感应强度。,I,28,28,纸面向里,（2）,电流元中心,29,29,例9-1 无限长直导线折成V形，顶角为，置于X-Y平面内，且一个角边与X轴重合，如图。当导线中有电流I时，求Y轴上一点P（0, a）处的磁感应强度大小。,解：如图示，将V形导线的两根半无限长导线分别标为1和2，则,方向垂直纸面向内；,可求导线2在P点的磁感应强度,利用,方向垂直纸面向外；,30,30,P点的总磁感应强度大小为：,B的正方向垂直纸面向外。,31,31,如图所示，有一长为l ，半径为R的载流密绕直螺线管，螺线管的总匝数为N，通有电流I. 设把螺线管放在真空中，

9、求管内轴线上一点处的磁感强度.,例 载流直螺线管内部的磁场.,P,R,*,32,32,螺线管可看成圆形电流的组合,P,R,*,解,由圆形电流磁场公式,33,33,R,*,O,34,34,35,35,（1）P点位于管内轴线中点,R,36,36,对于无限长的螺线管,或由,故,37,37,（2）半无限长螺线管的一端,比较上述结果可以看出，半“无限长”螺线管轴线上端点的磁感强度只有“无限长”螺线管内轴线中点磁感强度的一半.,38,38,（3）轴线上磁感强度的分布.,从下图可以看出，密绕载流长直螺线管内轴线中部附近的磁场完全可以视作均匀磁场.,39,39,(非相对论条件下、运动电荷的电场与磁场),如图，

10、若带电粒子（即电荷）的定向运动速度为v,设导线截面为s， 带电粒子数密度为n，则在dt时间内过截面s的带电粒子数,已知由电流元激发的磁场为,15.4、运动电荷的电磁场,40,40,若每个载流子的电荷为q，则dt时间内通过s截面的电量,于是在电流元中的电流强度为,若把电流元Idl所激发的磁场，看成由dN个载流子（运动电荷）激发而成，则,41,41,电荷q相对观察者以速度v运动、若vc,则单个运动电荷在空间A点所激发的磁场为,42,42,例9-3 求氢原子中作轨道运动的电子产生的磁场强度和电子的轨道磁矩。,B的方向垂直纸面向内。,磁矩：, ,解,43,43,15.5安培环路定理,一、 安培环路定理

11、 （The magnetic field of steady current; Amperes law）,在静电场中,那么在稳恒磁场中,1、安培环路定理：,B的环流不为零，说明磁场是非保守场，是有旋场。,44,44,在垂直于导线的平面上任取一包围电流的闭合曲线 l,，在无限长直线电流磁场情况下验证安培环路定理,45,45,当回路不包围电流时用同样方法可以证明，B在该回路上的线积分为零。,可见，线积分与回路包围的电流有关，与回路的形状无关。,46,46,（1）电流正、负号的规定：I与L成右螺旋为正，反之为负,右图，I1与L的绕向成右螺旋关系取正号、I2、I3与L的绕向成左螺旋关系取负号，I4、I

12、5没有穿过L 、对B的环路积分没有贡献。,47,47,（2）正确理解安培环路定律应注意的两点：,安培环流定律只是说B的线积分值只与穿过回路的电流 有关，而回路上各点的B值则与所有在场电流有关。,如果没有电流穿过某积分回路，只能说在该回路上B的线积分为零，而回路上各点的B值不一定为零。,48,48,二、 安培环流定理的应用,利用安培环流定理可以求某些具有特殊对称性的电流分布的磁场。,1、 首先要分析磁场分布的对称性；,2、 选择一个合适的积分回路或者使某一段积分线上B为 常数，或者使某一段积分线路上B处处与dl 垂直；,3、利用 求B。,49,49,(1) 长直密绕螺线管内部磁场 （n为线圈单位

13、长度匝数）,解：由对称性知，内部磁力线平行于轴线，是一均匀场。因 为螺线管是密绕的，没有漏磁；所以：螺线管外部靠近 中央部分的磁感应强度为零。,取矩形闭合回路abcd，按图中规定的回路绕向积分，则有,50,50,线圈单位长度上的匝数为n , 则,所以,51,51,（2）长直载流圆柱体（设轴向电流 I 均 匀分布在半径R的截面上）,解：磁场是轴对称的，过圆柱体外一点，取同轴圆周 l为积分回路，则,52,52,解 如图，平板两边均为与平面平行的匀强场，但方向相反,取如图矩形积分回路abcd，则,（3）无限大载流平板外的场（设单位长度上的电流为i）,53,53,三、磁通量的计算,例 截面为矩形的螺线

14、环，内半径为r1 ，外半径为r2， 共N匝，电流强度为I，求通过环截面的磁通（设环内为真空）。,解:先由安培环路定理求环内的B,此时环内磁力线是与螺绕环同心的圆形闭合曲线，线上各点的 B值大小相等，就以此线为积分回路，,所以,54,54,例 如图载有电流 I 的直导线旁有一与之共面的直角三角形线圈，相对位置如图所示，试计算通过这三角形线圈的磁通。,解：取面元如图，,55,55,例 有一长直导体圆管，内，外半径分别为R1，R2，通有电流I1，且均匀分布在其横截面上，导体旁有一绝缘“无限长”直导线载有电流I2，且在中部绕了一个半径为R的圆。导管轴线与直线平行，相距为d，(1)求圆心O点的磁感应强度

15、，(2)导体圆管的磁场穿过内、外圆筒间如图所示截面的磁通。,解（1）圆电流产生的磁场,长直导线电流的磁场,导管电流产生的磁场,所以O点处的磁感应强度,56,56,（2）由安培环路定理，导管内部的场有，,磁通,所以在 区间,57,57,58,58,例 求旋转的带电圆盘的圆心处的B。设圆盘的电荷面密度为，半径为R，旋转的角速度为。,解：取半径为r宽度为dr的圆环，则旋转时的等效电流,圆盘中心处的B大小为,59,59,例97在一平面内有三根电流已知的平行载流长直导线，导线1和导线2中的电流I1=I2且方向相同，两者相距310-2m，并且在导线1和2之间距导线1为10-2m处B =0，求第三根导线放置 的位置与所通电流I3之间的关系。,解：设第三根导线距I1为x，且与I1同向，并规定垂直纸面向外的 B为正，于是在x0处有,式中d= 310-2m，x0= 10-2m,解得,当I3与I1同向时，I3在B=0处的右侧，当I3与此I1反向时，I3在B=0处的左侧。,60,15.6 与变化电场相联系的磁场,1. 普遍的安培环路定理,电容器充电时,电流非闭合：,原安培环路定理不适用.,1861年，Maxwell把安培环路定理推广