§8-1 恒定电流

115
§8-1 恒恒恒恒 §8-2 恒恒恒恒恒 §8-3 恒恒–恒恒恒恒恒 §8-4 恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒 §8-5 恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒 §8-6 恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒 §8-7 恒恒恒恒恒恒恒 §8-8 恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒 恒恒恒恒 §8-9 恒恒恒 恒恒恒 恒恒恒恒恒恒恒

description

第八章 恒定电流的磁场. §8-1 恒定电流. §8-2 磁感应强度. §8-3 毕奥 – 萨伐尔定律. §8-4 恒定磁场的高斯定理和安培环路定理. §8-5 带电粒子在电场和磁场中的运动. §8-6 磁场对载流导线的作用. §8-7 磁场中的磁介质. §8-8 有磁介质时的安培环路定理 磁场强度. §8-9 铁磁质. §8-1 恒定电流. 一、电流 电流密度. 电流 I. 标量,方向. 电流密度矢量. 方向:正电荷运动的方向。 大小:等于从垂直于电荷运动方向的单位截面上 流过的电荷量。. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of §8-1 恒定电流

Page 1: §8-1  恒定电流

§8-1 恒定电流§8-2 磁感应强度

§8-3 毕奥–萨伐尔定律§8-4 恒定磁场的高斯定理和安培环路定理

§8-5 带电粒子在电场和磁场中的运动§8-6 磁场对载流导线的作用§8-7 磁场中的磁介质§8-8 有磁介质时的安培环路定理 磁场强度§8-9 铁磁质

第八章 恒定电流的磁场

Page 2: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-1 恒定电流

IE

Sdt

qI

d

d

电流 I

标量,方向

一、电流 电流密度

S

Ij

d

d

电流密度矢量

方向:正电荷运动的方向。大小:等于从垂直于电荷运动方向的单位截面上 流过的电荷量。

Page 3: §8-1  恒定电流

返回 退出

几种典型的电流分布

粗细均匀的金属导体

粗细不均匀的金属导线

半球形接地电极附近的电流

Page 4: §8-1  恒定电流

返回 退出

几种典型的电流分布

电阻法勘探矿藏时的电流

同轴电缆中的漏电流

Page 5: §8-1  恒定电流

返回 退出

SS

SjSejI

ddn

电流就是电流密度穿过某截面的通量。

• 电流与电流密度的关系

Page 6: §8-1  恒定电流

返回 退出

二、电源的电动势

BA +

++

+

----

+q -q

非静电力 F

k

电源——提供非静电力的装置,或称电泵。

Fk

导体内形成持续电流的条件:

载流子、电势差

电源把其他形式的能量转化为电势能。如化学电池、发电机、热电偶、硅(硒)太阳能电池、核反应堆等。

Page 7: §8-1  恒定电流

返回 退出

非静电力的作用:

电源外部:提供恒定电场,静电力使正电荷从电势高的地方向电势低的地方运动。

电源内部:两种力同时存在!方向相反。

非静电力使正电荷从电势低的地方(电源负极)再回到电势高的地方(电源正极),形成恒定电流。

++

+

++

+

--

--

-

-

+静电力

+静电力

非静电力

闭合电路电流的形成

Page 8: §8-1  恒定电流

返回 退出

q

FE k

k

非静电场的场强:

电动势 :

定义: 电动势 等于将单位正电荷从电源负极沿内电路移到正极过程中非静电场力做的功。

l

lE

dk

+

lE

dk( 内电路 )

标量,方向

q

A

d

d

Page 9: §8-1  恒定电流

返回 退出

S

lR 导线的电阻:

RIVV 21

一段导体的欧姆定律:

三、欧姆( G.S.Ohm) 定律

2V1V I

电阻率: 单位:• m

电导: 单位: S (西门子)lS

RG

1

1电导率: 单位: S/m

1. 一段含源电路的欧姆定律

Page 10: §8-1  恒定电流

返回 退出

RI

iR ba

例:简单闭合电路

电路中有如图所示电流 I 。

绕行一周,各部分的电势变化总和为 0 。

0i UUR

iRRI

推广至多个电源和电阻组成的回路,有

jj

j

RRI

i

闭合电路的欧姆定律

注意式中电动势正负取值的约定。

Page 11: §8-1  恒定电流

返回 退出

1i1,R1RI

2i2 ,R2R ba

设电路中有如图所示电流。

( 1 )如果 I > 0 ,电路中电流如图所示。

( 2 )如果 I < 0 ,电路中电流与图示方向相反。

讨论

例:如图闭合电路,计算回路的电流。

Page 12: §8-1  恒定电流

返回 退出

一段含源电路, A 、 B 两端的电势差为

3i232i2222

1i1111

RIRIRI

RIRIVV BA

一般形式(一段含源电路的欧姆定律)为

iIRIRVV BA

注意等式右边各项正负号取法的规则。

Page 13: §8-1  恒定电流

返回 退出

欧姆定律的微分形式

2. 欧姆定律的微分形式

ISdld

E

V VV dR

V

R

VVVI

d

d

)d(-d

S

l

S

lR

d

d

d

dd

l

VE

d

dS

l

VI d

d

dd

ES

I d

dEEj

1

Page 14: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-2 磁感应强度一、基本磁现象

电现象与磁现象密切相关2. 传导电流( 运动电荷)之间的磁力,

1. 永磁铁, 磁极

3. 物质磁性本质的假说, 分子电流

至今未发现磁单极

一切磁现象起源于运动电荷(电流)。结论

Page 15: §8-1  恒定电流

返回 退出

电流 磁场 电流

二、磁感应强度

0v

0F

0F

0v 一般,

1.

* 的方向——利用小磁针探测磁场的方向。B

* 的大小——研究运动电荷在磁场中受力。B

引入运动电荷 , 实验结论:vq

x

yz

qP

F

B

v

O

Page 16: §8-1  恒定电流

返回 退出

即 。),( BvF

q 以同一速率沿不同方向通过 P 点时,所受磁力大小不同,但 . , BFvF

2.

x

yz

qP

F

B

v

O

BvqF

//规定:

FFqq

sinqvFF

3.

与 无关,只与位置有关。sinqv

F,,vq

Page 17: §8-1  恒定电流

返回 退出

qv

F

qv

FB m

sin

规定 的大小:B

T10Gs1m),s/(C1N1T 4

单位 (SI) : T( 特斯拉 ) , Gs( 高斯 )

BvqF

洛伦兹力公式可得

人体心电激发的磁场约 310-10 T ,地球磁场约 510-5 T ,电磁铁约几(十) T ,超导磁铁约几十 T ,原子核附近约 104 T ,脉冲星约 108 T 。

Page 18: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、磁感应线和磁通量

• 磁感线上各点的切线方向表示 此处磁场的方向

• 磁感线的疏密反映磁场的强弱

1. 磁场的定性描述——磁感应线(磁感线)

Page 19: §8-1  恒定电流

返回 退出

• 磁感应线的性质与与与与与

闭合曲线 ( 磁单极子不存在 )与与与与

与与与与与与与与与与与与

Page 20: §8-1  恒定电流

返回 退出

SBSBΦ

ddcosd

sss

SBSBΦΦ

ddcosd

Wb1mT 1 ),Wb()SI( 2 韦伯:单位

2. 磁通量

通过面元 dS 的磁通量:

通过有限曲面 S 的磁通量:

磁通量:穿过磁场中任一给定曲面的磁感应线总数。

S

ΦB

d

d磁感应强度又称磁通量密度。

Page 21: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-3 毕奥–萨伐尔定律一、毕奥–萨伐尔 (Biot-Savart) 定律

BB

d

rr

qEE

3

0π4

dd

Pdq

r

E

回顾求任意形状带电体产生的电场 :

线电流 B

lI

d电流元 B

d

rlB

d//d方向

2

sindd

r

lIB

大小

IP

lI

d

r

线电流

B

d

类似方法计算任意形状电流产生的磁场:

Page 22: §8-1  恒定电流

返回 退出

m/A T10π4 70

真空中( SI ) :2

0 sind

π4d

r

lIB

20 d

π4d

r

elIB r

有限长线电流 ( 或面电流、体电流 )产生的磁场:

2

0 d

π4d

r

elIBB r

毕奥–萨伐尔定律:

真空磁导率:

lI

d

r

B

Page 23: §8-1  恒定电流

返回 退出

二、运动电荷的磁场

单 位 时 间 内 通 过横截面 S 的电荷即为电流 I :

电流元在 P 点产生的磁感应强度:

qnvSI

设电流元 ,横截面积 S ,l

dI 载流子: nvq ,,

20

20 d

π4

d

π4d

r

evlqnS

r

elIB rr

P

r

Page 24: §8-1  恒定电流

返回 退出

电流元内带电粒子数目: lnSN dd

(适用于 v << c )

B

-

r

vq

20

π4d

d

r

evq

N

BB r

q

每个电荷量为 q ,以速度 运动的电荷产生的磁感应强度为

v

r

vq

B

Page 25: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、毕奥 - 萨伐尔定律的应用

20 sind

π4d

r

zIBB

z

Oa

z

1

2

zI

d

z1

z2

r

P

1. 直导线电流的磁场设有载流直导线 (I) ,计算场点 P 处的磁感应强度。

( 已知 P 与导线两端形成夹角 , P 到直导线的垂直距离为 a)

21 、

20 sind

π4d

r

zIB

电流元 在 P 点产生的磁感应强度:zI

d

大小:

方向:

Page 26: §8-1  恒定电流

返回 退出

变量代换:z

Oa

zP

20 sind

π4d

r

zIBB

Page 27: §8-1  恒定电流

返回 退出

π,0 21

a

IB

π20

)cos(cosπ4 210

a

IB

特例: a. 若导线无限长, 即

( 长直电流的磁场 )

b. 半无限长直导线

a

IB

π40

方向由右手螺旋法判断。

1

2

P

I

PI

讨论

Page 28: §8-1  恒定电流

返回 退出

y

z

RO

P

lI

d

z r

Bd

B

dzBd

I

x

20

20 d

π490sin

d

π4d

r

lI

r

lIB

设有单匝载流圆线圈 (I 、 R) ,计算轴线上任一点 P 的磁感应强度。 选取坐标系和电流元,

电流元 在 P 点产生的 的大小:lI

d B

d

方向: )d( rlI

各电流元产生的 方向各不相同,B

d

Bz

BzB z

d

dd

轴的垂直于轴的平行于

分解

2. 载流圆线圈轴线上的磁场

Page 29: §8-1  恒定电流

返回 退出

2/3220

2/322

20

)(π2)(2 zR

IS

zR

IR

zBB d

2

0 sind

π4)

2

πcos(d

r

lIB

R

lr

I π2

020 d sin

π4

由对称性, 分量相互抵消。Bd

的方向与电流环绕方向呈右手旋关系。B

B

d

y

z

RO

P

lI

d

z r

Bd

B

dzBd

I

x

I

ne

B

Page 30: §8-1  恒定电流

返回 退出

3

20

2r

IRB

neNISm

30

π2 r

mB

定义载流线圈的磁矩:

1. 圆心处, z=0 , R

IB

20

0

2. 远离圆心处, z>>R , z= r ,

2/322

20

)(2 zR

IRB

等效磁偶极子I

ne

试与电偶极子轴线上远处的电场强度公式比较:

30π2 r

pE

讨论

Page 31: §8-1  恒定电流

返回 退出

2/322

20

)(2

dd

xR

xnIRB

设螺线管半径 R ,通有电流 I , 单位长度上匀绕 n 匝线圈,每匝线圈可近似看作平面线圈,计算轴线上任一点 P 的磁感应强度。 取 P 点为坐标原点, x 轴与轴线重合。xx+dx 之间的 ndx 匝线圈相当于电流为 Indx 的一个圆电流,在 P 点产生的 大小为 B

d

方向:沿 x 轴正方向。所有圆电流产生的 方向相同。B

d

3. 螺线管电流轴线上的磁场

x dx

x

R

Px1 x2

l

r1 2

n

B

d

Page 32: §8-1  恒定电流

返回 退出

2

12/322

20

)(2

dx

x xR

xnIRB

)cos(cos2 120

nI

)cot= ( Rx利用

x dx

x

R

Px1 x2

l

r1 2

n

B

d

Page 33: §8-1  恒定电流

返回 退出

0 π, 21 ,有Rl

nIB 0

0, 2

π 2 1

nIB02

1

1. 若螺线管无限长,

2. 左端点:

)cos(cos2 120

nI

B螺线管电流轴线上的磁感应强度

B

B2

l

B

B2

l

讨论

Page 34: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-1 一个半径 R 为的塑料薄圆盘,电荷 +q 均匀分布其上,圆盘以角速度绕通过盘心并与盘面垂直的轴匀速转动,求圆盘中心处的磁感应强度和磁矩。

带电圆盘转动形成圆电流,取距盘心 r 处宽度为 dr 的圆环作圆电流,则:

22 π

ddπ2

ππ2d

R

rqrrr

R

qI

r

IB

2

dd 0

R

rR

qB

020 dπ2

R

q

π20

R

O

++

++

++++

++

++++

++r

dr

解:

Page 35: §8-1  恒定电流

返回 退出

n2dπd eIrm

2

0

2

4

1=

d πd

qR

rrrmmR

求磁矩:

rr+dr 的圆环电流:

ne

方向:与转向成右手螺旋, ne

R

O

++

++

++++

++

++++

++r

dr

Page 36: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-2 在实验室中,常应用亥姆霍兹线圈产生所需的不太强的均匀磁场。它是由一对相同半径的同轴载流线圈组成,当它们之间的距离等于它们的半径时,试计算两线圈中心处和轴线上中点的磁感应强度。 设两个线圈的半径为 R ,各有 N 匝,每匝中的电流均为 I ,且流向相同。

解:

两线圈在轴线上各点的场强方向均沿轴线向右,在圆心 O1 、O2 处磁感应强度相等,

Page 37: §8-1  恒定电流

返回 退出

两线圈间轴线上中点 P 处,磁感应强度为

R

NI

RR

NIRBP

0

2/322

20

716.0

22

2

R

NI

RR

NIR

R

NIB 0

2/322

200

0 677.022

大小为

Page 38: §8-1  恒定电流

返回 退出

在 P 点两侧各 R/4 处的 Q1 、 Q2 两点处磁感应强度:

R

NI

RR

NIR

RR

NIRBQ

0

2/322

20

2/322

20

712.0

43

24

2

轴线上中点附近的场强近似均匀。

Page 39: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-3 在玻尔的氢原子模型中,电子绕原子核做匀速圆周运动,具有相应的磁矩,称为轨道磁矩。设圆半径为 r ,转速为 n ,求:( 1 )轨道中心的磁感应强度的大小;( 2 )轨道磁矩 µ 与轨道角动量 L 之间的关系;( 3 )计算氢原子在基态时电子的轨道磁矩。解:( 1 )电子的运动相当于一个圆电流: I = ne

由圆电流中心的磁场公式,轨道中心的磁感应强度为

r

neB

20

0

( 2 )轨道磁矩: 2πrneIS

轨道角动量: 2eee π2π2 rnmrnrmvrmL

Page 40: §8-1  恒定电流

返回 退出

角动量和磁矩的方向恰好相反,

Lm

e

e2

这一经典结论与量子理论导出的结果相符。

Lm

e

e2

e

L

Page 41: §8-1  恒定电流

返回 退出

( 3 )由于电子的轨道角动量是满足量子化条件的,在玻尔理论中,其量值等于( h/2 )的整数倍。

eeB π4π22 m

ehh

m

e

224B mA10273.9

它是轨道磁矩的最小单位(称为玻尔磁子)。

电子自旋磁矩的量值等于玻尔磁子。

氢原子在基态时,其轨道磁矩为:

原子中的电子除沿轨道运动外,还有自旋,电子的自旋是一种量子现象,它有自己的磁矩和角动量。

Page 42: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-4 恒定磁场的高斯定理和安培环路定理

一、恒定磁场的高斯定理

表明穿过任意闭合曲面 S 的总磁通必然为零,说明磁场是无源场。

由磁感应线的闭合性可知,对任意闭合曲面,穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同,因此,通过任何闭合曲面的磁通量为零。

S

SB 0d

恒定磁场的高斯定理

Page 43: §8-1  恒定电流

返回 退出

S

iqSE

0

d

静电场是有源场恒定磁场是无源场

原因:自然界无磁单极?

恒定磁场的高斯定理 静电场的高斯定理

S

SB 0d

B

线:无头无尾闭合线

E

线:出自正电荷,收于负电荷

Page 44: §8-1  恒定电流

返回 退出

二、安培环路定理

L

lB

d B

的环流:

特例:无限长直载流导线的磁场

1. 电流穿过环路

r

IB

π20 dcosd rl

LL

lBlB dcosd

II

rr

IlB

LL 0

π2

0

00 dπ2

dπ2

d

在垂直于导线的平面内任作一环路:

Page 45: §8-1  恒定电流

返回 退出

LL

llBlB )d(dd //

//dcosd90cos lBlBLL

I0

LBr d0

d

π2

π2

0

0 rr

I

如果环路不在垂直于导线的平面内:

Page 46: §8-1  恒定电流

返回 退出

lBlBLL

d)πcos(d

lBL dcos

I0

d

π2

π2

0

0I

如果沿同一路径但改变绕行方向积分:

表明:磁感应强度矢量的环流与闭合曲线的形状无关,它只和闭合曲线内所包围的电流有关。

Page 47: §8-1  恒定电流

返回 退出

2. 电流在环路之外

0d L lB

Page 48: §8-1  恒定电流

返回 退出

3. 多根载流导线穿过环路

nBBBB

21

lBBBlBL nL

dd 21

L nLL

lBlBlB

ddd 21

in IIII 002010

1I

2I

nI

L

Page 49: §8-1  恒定电流

返回 退出

在真空中的恒定磁场内,磁感应强度 B 矢量沿任何闭合曲线 L 的环流等于穿过闭合曲线回路所有传导电流的代数和的 0 倍。

2. 式中的电流是指闭合曲线所包围并穿过的电流,不包括闭合曲线以外的电流,且电流必须是闭合载流导线的电流。

讨论

i

iLIlB 0d

1. 静电场的环路定理说明静电场是无旋场;恒定磁场的环路定理反映恒定磁场是有旋场。

安培环路定理:

Page 50: §8-1  恒定电流

返回 退出

4. 电流的符号规定:

当电流方向与积分路径的绕行方向构成右手螺旋关系时电流为正 , 反之为负。

)(d 31200 IIIIlBL

i

L

5. 同一电流与闭合回路 N 次链套时:

NIlBL

0d

如右图所示:

3. 式中的磁感应强度 B 是闭合曲线内外所有电流产生的磁感应强度。

I4 I3

I1I2

L

Page 51: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、安培环路定理的应用

1. 无限长载流圆柱形导体的磁场分布

( 1 )圆柱外的磁场:

IrBlBL 0π2d

r

IB

π20

分析:电流呈轴对称分布,磁场对圆柱形轴线具有对称性。

)( Rr

Page 52: §8-1  恒定电流

返回 退出

( 2 )圆柱内的磁场:

IR

rr

R

I

IrBlBL

2

2

02

20

0

ππ

π2d

20

2 R

rIB

思考:若电流 I 沿圆柱的表面流动,圆柱内外的磁场分布又如何?

)( Rr

Page 53: §8-1  恒定电流

返回 退出

2. 长直螺线管内的磁感应强度 ( I 、 n )

0dd a

d

c

blBlB

)(abcdaL

分析:由电流分布的对称性,管内磁场平行于轴线方向,且管内外与轴等距离处 B 相等;螺线管密绕,管外磁场近似为零。

选择闭合回路

0cdB

nIllBab 0

nIab

lBlBlBlBlBa

d

d

c

c

b

b

aL

0

ddddd

Page 54: §8-1  恒定电流

返回 退出

l

NInIB 0

0

长直螺线管内为匀强磁场,方向平行于轴线,且与电流绕向构成右手螺旋关系。

Page 55: §8-1  恒定电流

返回 退出

3. 载流螺绕环内的磁场

设环上线圈的总匝数为 N ,电流为 I 。

LL

lBlB dd

rB π2

NI0

r

NIB

π20 nIB 0

lB

//d

rrr 12

环外: B=0

方向

Page 56: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-5 带电粒子在电场和磁场中的运动一、洛伦兹力

带电粒子运动的方向与磁场方向成夹角 时,所受磁力:

sinqvBF

BvqF

大小:

方向: )//( Bv

洛伦兹力

带电粒子沿磁场方向运动时: 0F

qvBF m带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时:

Page 57: §8-1  恒定电流

返回 退出

• 带电粒子在均匀磁场中的运动

1. 运动方向与磁场方向平行

BvqF

+ Bv

带电粒子做匀速直线运动。

)//( Bv

洛伦兹力

0F

B

设均匀磁场 ,带电粒子 vmq

,,

Page 58: §8-1  恒定电流

返回 退出

2. 运动方向与磁场方向垂直

R

vmqvB

2

运动方程:

运动半径:qB

mvR

qvBF

FR

+v

)( Bv

故带电粒子做匀速圆周运动。

vF

周期:qB

m

v

RT

π2π2 频率:

m

qB

Tf

π2

1

带电粒子做匀速圆周运动,周期和频率与速度无关。

Page 59: §8-1  恒定电流

返回 退出

3. 运动方向沿任意方向

v⊥=vsin 匀速圆周运动

v//=vcos 匀速直线运动

qB

mvR

sin半径:

qB

mT

π2周期:

螺距: cosπ2

// vqB

mTvh

带电粒子做螺旋线运动。

) ( 角成与 Bv

分解 :v

Page 60: §8-1  恒定电流

返回 退出

• 带电粒子在非均匀磁场中运动

1. 会聚磁场中做螺旋运动的带正电的粒子掉向返转。

2. 磁约束装置

Page 61: §8-1  恒定电流

返回 退出

范•艾仑 (Van Allen) 辐射带

Page 62: §8-1  恒定电流

返回 退出

托卡马克 (TOKAMAK)

利用一组线圈环形排列,通电后就可形成等离子体磁约束装置,是实现高温等离子体磁约束,进而实现可控核聚变的重要设备。

Page 63: §8-1  恒定电流

返回 退出

带有电荷量 的粒子在静电场 和磁场 中以速度 运动时受到的作用力将是

E

q B

v

BvqEqF

1. 磁聚焦

二、带电粒子在电磁场中的运动和应用

qB

mvTvh

qB

mT

cosπ2

π2

//

在显像管、电子显微镜和真空器件中,常用磁聚焦来聚焦电子束。

Page 64: §8-1  恒定电流

返回 退出

• 使带电粒子在电场的作用下得到加速。

2. 回旋加速器( cyclotron )

• 使带电粒子在磁场的作用下做回旋运动。

Page 65: §8-1  恒定电流

返回 退出

222

2k 22

1RB

m

qmvE 粒子的动能:

Bmqv

R)(

BRm

qv

轨道半径:

粒子引出速度:

振荡器的周期:qB

mtT

π22

m

qB

π2频率:

回旋加速器一般适用于加速质量较大的粒子,不宜用于加速电子。

Page 66: §8-1  恒定电流

返回 退出

同步回旋加速器( synchrocyclotron ) :高频加速电场的频率随被加速粒子能量的增加而降低,保持粒子回旋频率与加速电场同步。

同步加速器( Synchrotron ):使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹,而保持粒子回旋频率与加速电场同步。

qB

mvR

m

qB

π2

• 回旋加速器的发展

22

0

/1 cv

mm

加速电子可利用电子感应加速器、同步加速器等。

Page 67: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-4 一架回旋加速器的振荡频率为 12 MHz , D 形电极的半径为 54 cm 。求加速氘核(质量为 3.3×10-27 k

g , 带电荷量为 1.6×10-19 C )需要多大的磁感应强度,氘核的最大动能和最大速度各为多少 ?

Bmq

tt

π

2

1

T6.1π2

q

mB

解:

Page 68: §8-1  恒定电流

返回 退出

m/s102.4 7m

qBRv

氘核的最大速度为

MeV17J108.22

12222

k RBm

qE

氘核的最大动能为

Page 69: §8-1  恒定电流

返回 退出

3. 质谱仪

qB

mvR

质谱仪是分析同位素和测量离子荷质比的重要仪器。

BBR

E

RB

v

m

q

不同质量的离子打在底片上不同位置处。

离子源加速电场速度选择器( )与速度垂直的均匀磁场

BEv /

Page 70: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、霍耳效应

1879 年,霍耳( E. H. Hall )发现,把一载流导体放在磁场中时,如果磁场方向与电流方向垂直,则在与磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势差。称为霍耳效应,这电势差称为霍耳电势差。

Page 71: §8-1  恒定电流

返回 退出

实验指出,在磁场不太强时,霍耳电势差 U 与电流 I 和磁感应强度 B 成正比,与板的宽 d 成反比。

RH 称为霍耳系数,仅与材料有关。d

BIRVVU H21

是导体中载流子受到洛伦兹力作用而发生横向漂移的结果。

实质

Page 72: §8-1  恒定电流

返回 退出

BvqF m He qEF

动态平衡时: BvqqE H BvE H

BbvbEVVU H21

bdvqnbdjI

设载流子: nvq ,,

d

IB

qnU

1

qnR

1H 霍耳系数:

d

IBRVVU H21

分析

Page 73: §8-1  恒定电流

返回 退出

21H

21H

00

00 .2

VVRq

VVRq

锗片mvI

I

1. 实验确定霍耳系数 RH ,就能定出载流子浓度 n 。 可用于研究半导体内 n 的变化。

可用于判定半导体内载流子的类型。

3. 特斯拉计(磁强计)。

4. 磁流体发电 。

讨论

Page 74: §8-1  恒定电流

返回 退出

磁流体发电

Page 75: §8-1  恒定电流

返回 退出

* 四、 量子霍耳效应

1980 年,克劳斯 · 冯 · 克里策金 ( Klaus Von Kl

itzing ) 发现在低温和强磁场下,霍耳常数是量子化的, RH=h/ie2 , i =1 , 2 , 3,…,称为整数量耳霍尔效应。获 1985 年度的诺贝尔奖 。

*HH IR

d

IBRU

nqd

BR *

H

—— 霍耳电阻

Page 76: §8-1  恒定电流

返回 退出

AT&T 的 D. Tsui 、 H. Stormer 和 A.Gossard

发现,随着磁场增强,在 i =1/3,1/5,1/7, 等处,霍耳常数出现了新的台阶,称为分数量子霍耳效应。获 1998 年度诺贝尔物理学奖。

Page 77: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-6 磁场对载流导线的作用一、 安培定律

洛伦兹力:

设电流元截面积 S ,电子数密度 n

电流元中的电子数: nSdl

作用在电流元上的作用力:

BveF

L

)(d)d(d L BvelnSFlnSF

电流: qnvSI BlIF

dd

安培力: 磁场对载流导线(电流)的作用力。

Page 78: §8-1  恒定电流

返回 退出

磁场对载流导线的作用力:

L

BlIF

d

zz

yy

xx

FF

FF

FF

d

d

d

BlIF

dd

安培定律:电流元 Idl 在磁场中所受的作用力为

Page 79: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-5 计算长为 L 的载流直导线在均匀磁场 B 中所受的力。解:

LBlIF

d

sinILBF

BLI

BlI

ab

L

)d(

I

Ba

b

大小: 方向:

Page 80: §8-1  恒定电流

返回 退出

NBIbF mgNBIb

NIb

mgB 待测磁场:

线圈的底边上受到安培力为 方向向上

解:

天平恢复平衡时:

例 8-6 测定磁感应强度的实验装置——磁秤,矩形线圈宽为 b ,长为 l ,共有 N 匝,线圈的下端放在待测的均匀磁场中,当线圈中通有电流 I 时,调节砝码 m

使两臂达到平衡。求待测磁场的磁感应强度。

Page 81: §8-1  恒定电流

返回 退出

• 磁悬浮列车的电磁驱动力

Page 82: §8-1  恒定电流

返回 退出

二、磁场对载流线圈的作用

形成一力偶。

sin)πsin( 111 BIlBIlF

222 BIlFF 11 FF ( 抵消 )

磁力矩:

( 其中 S=l1l2 )

sincos 1111 lFlFM sinsin12 BISlBIl

匀强磁场中的矩形载流线圈:

Page 83: §8-1  恒定电流

返回 退出

载流线圈在磁场中受到的磁力矩:

BmM

sinmBM

磁矩neNISm

sinNBISM N 匝线圈的磁力矩:

m

m

I

S

磁力矩

公式适用于任意形状的闭合载流线圈。

M

Page 84: §8-1  恒定电流

返回 退出

(1) =0 时, M=0 。线圈处于稳定平衡状态; ( =NBS)

(2) =90 时, M = Mmax= NBIS ;

(3) =180 时, M=0 。线圈处于非稳定平衡状态。( = -NBS)

( =0)

讨论 BmM

Page 85: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、电流单位“安培”的定义

平行电流间的相互作用力:

a

IB

π220

2

a

IB

π210

1

1210

12112 dπ2

dd la

IIlBIF

单位长度受力:

a

II

l

F

π2d

d 210

1

12

2

21

d

d

l

F

Page 86: §8-1  恒定电流

返回 退出

设: I1=I2 =1 A , a=1 m

单位长度导线受到的磁力:

1π2

1110π4

π2d

d 7210

a

II

l

F

)m(N102 17

“安培”的定义:

两平行长直导线相距 1 m ,通过大小相等的电流,如果这时它们之间单位长度导线受到的磁场力正好是 210-7 N/m 时,就把两导线中所通过的电流定义为“ 1 安培”。

Page 87: §8-1  恒定电流

返回 退出

四、磁场力的功

1. 磁力对运动载流导线做的功

F

I

B

a

bc

d

L

a

b

x

磁场力: F = BIL

磁场力的功:

A = Fx = BILx

其中 BLx=BS=

ΦIA 磁力的功:

设回路中的电流 I 保持恒定

Page 88: §8-1  恒定电流

返回 退出

2. 载流线圈在磁场中转动时磁力矩的功

力矩的功: dMA

磁力矩: sinBISM

ΦIA

2

1

2

1

2

1

d)cos(d

dsin

Φ

ΦΦIBSI

BISA

)(Φ 12 ΦΦII

注: 1. 也适合于非匀强磁场中的载流线圈。 2. 有正负。

Φ

Page 89: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-7 半径 R 的闭合载流线圈,通过电流 I 。放在均匀磁场 B 中,其方向与线圈平面平行。求:( 1 )以直径为转轴,线圈所受磁力矩的大小和方向;( 2 )在力矩作用下,线圈转过 90° ,力矩做了多少功?解: (1) 解法一:

dsinsindd IBRlIBF 方向:垂直于线圈平面向外

sindd RFM

2

π

0

22

π2

1

dsind

IBR

IBRMM

R

dl

B

I

方向:竖直向下

Page 90: §8-1  恒定电流

返回 退出

解法二:BmM

sinmBM

2

π90

2RIm

2π2

1IBRM

方向: 竖直向下

R

dl

B

I

M

Page 91: §8-1  恒定电流

返回 退出

解法一: mBmBMA 0

2πdsind

IBRA 2π2

1

2

π 2RIm

(2) 力矩的功

线圈转过 90° 时,磁通量的增量为

BR

Φ2

π 2

IBR

ΦIA2

π 2

解法二:R

dl

B

I

M

Page 92: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-7 磁场中的磁介质

0B

真空中:

0r BB

BBB

0

( 类比电介质中的电场 )

传导电流产生

与介质有关的电流产生

0

r B

B

磁介质中:

一、磁介质

磁 化:磁场对磁场中的物质的作用。磁介质:在磁场中影响原磁场的物质。

相对磁导率:

无限大均匀磁介质中:

Page 93: §8-1  恒定电流

返回 退出

0r 完全抗磁质

磁介质的分类: BBB

00

r B

B

抗磁质 (铜、铋、硫、氢、银等 )0BB

铁磁质 ( 铁、钴、镍等 )0BB

顺磁质 (锰、铬、铂、氧、氮等 )0BB

1r

1r

1r

抗磁质

顺磁质

铁磁质

Page 94: §8-1  恒定电流

返回 退出

* 二、分子电流和分子磁矩

分子电流:分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和,可用一个等效的圆电流表示,称为分子电流。分子磁矩:把分子所具有的磁矩称为分子磁矩,用符号 表示。分子m

m

I

S

L

ev

I

分子m

r

由角动量定理:

tBLtBmtML d)(//d)(dd 00

外磁场中电子将受到磁力矩作用:

0BmM

Page 95: §8-1  恒定电流

返回 退出

LL

d 电子附加绕磁场方向进动

tBLtBmtML d)(//d)(dd 00

附加磁矩 0// Bm

分子

Page 96: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、抗磁质的磁化

分子电流

出现附加磁矩:分子m

加上外磁场时,

)//( 0BB

0分子m抗磁质:

无外磁场时,物质宏观上不显示磁效应。

呈现抗磁性

Page 97: §8-1  恒定电流

返回 退出

顺磁质: 0分子m

无外磁场时,物质宏观上不显示磁效应。0)( Vm分子

宏观表现相同: 介质内或介质表面出现磁化电流。

四、顺磁质的磁化

加上外磁场时,分子电流将受到磁力矩作用而发生转向

呈现顺磁性

Page 98: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-8 有磁介质时的安培环路定理 磁场强度一、磁化强度

反映磁介质磁化程度 ( 大小与方向 ) 的物理量。

V

mmM V

)( 分子分子

磁化强度:

单位: A/m

对顺磁质, 可以忽略, 。对抗磁质, , 。 对于真空, 。

分子m

0 分子m 0// BM

0// BM

0M

Page 99: §8-1  恒定电流

返回 退出

• 磁化电流

对于各向同性的均匀介质,在介质表面出现一层电流,称为磁化(面)电流。

Page 100: §8-1  恒定电流

返回 退出

设介质表面沿轴线方向单位长度上的磁化电流为 (磁化面电流的线密度),则长为 l 的一段介质上的磁化电流为

s

特例:长直螺线管内充满均匀顺磁质

lI ss

SlSIm ss 分子

V

mM

分子

ss

Sl

Sl

Page 101: §8-1  恒定电流

返回 退出

如图取长方形闭合回路 ABCD ,长度为 l :

B

AlMlM

dd ABM Ml

sM ssd IllM

普适关系

Page 102: §8-1  恒定电流

返回 退出

二、有磁介质时的安培环路定理

s00d IIlBi

i

磁化电流:sI传导电流:iI

内)(L

LIlB 000 d

无磁介质时

有磁介质时

lMI

ds

)d(d 0 lMIlB i

iIlMB

d)(0

Page 103: §8-1  恒定电流

返回 退出

定义: M

BH

0

iIlH

d

1. 磁场强度矢量的环流只和传导电流 I 有关,而在形式上与磁介质的磁性无关。

iIlMB

d)(0

磁场强度

有磁介质时的安培环路定理

讨论

2. 利用有磁介质时的安培环路定理可计算具有高度对称性分布的磁场。

Page 104: §8-1  恒定电流

返回 退出

MB

H

0

MHB

00

实验证明:对于各向同性的介质,

HM

m称为磁介质的磁化率(纯数)m

HMHB

)1()( m00

mr 1

HHB

r0

r0

相对磁导率

磁导率抗磁质顺磁质

0 1

0 1

mr

mr

0m 真空中:

Page 105: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-8 均匀密绕的细螺绕环内充满均匀顺磁质,已知螺绕环中的传导电流 I ,单位长度内匝数 n ,磁介质的相对磁导率为 r 。求环内的磁场强度和磁感应强度。

NIlH

d

在环内任取一点,过该点作一和环同心、半径为 r 的圆形回路。

由对称性可知,回路上各点的磁感应强度的大小相等,方向都沿切线。

NIrH π2

HHB

r0 nIr

NIH

π2

解:

Page 106: §8-1  恒定电流

返回 退出

例 8-9 半径为 R1 的无限长圆柱体(导体≈ 0 )中通有均匀电流 I ,外面有半径为 R2 的无限长同轴圆柱面,两者之间充满着磁导率为的均匀磁介质,在圆柱面上通有相反方向的电流 I 。试求空间各点的磁场。

磁场、磁介质均是轴对称分布。

1π2 r

IHB

IlH

d

1π2 r

IH

( 1 )过圆柱体外圆柱面内一点作半径为 r1 ( R1<r1<R2) 的圆为积分回路:

解:

Page 107: §8-1  恒定电流

返回 退出

( 2 )过圆柱体内一点作半径为 r2 的圆:

2

2

2

2

2

1

2

1

2

π

ππ2d

R

rI

R

rIrHlH

220

1π2 R

IrB

( 3 )过圆柱面外一点作半径为 r3 的圆:

0d lH

0H 0B

22

1π2 R

IrH

Page 108: §8-1  恒定电流

返回 退出

§8-9 铁磁质

(1) 强顺磁性 (2)剩磁特点:

一、磁化曲线和磁滞回线铁心

nIR

NIH

π2

HB

)(HH

B

)(0

HMHB

M

磁化曲线

冲击电流计(BG) 测 B 值

(3)居里点

Page 109: §8-1  恒定电流

返回 退出

磁滞回线

剩磁: Br 矫顽力: Hc

B 的变化总落后于 H 的变化,称磁滞现象。

Page 110: §8-1  恒定电流

返回 退出

铁磁质中,相邻原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用,促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来,形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域,这些自发磁化的微小区域称为磁畴。

二、磁畴

在没有外磁场作用时,磁体体内磁矩排列杂乱,任意物理无限小体积内的平均磁矩为零。

Page 111: §8-1  恒定电流

返回 退出

在外磁场作用下,自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴体积逐渐扩大,而取向与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。

可以解释高温和振动的去磁作用。

随着外磁场的不断增强,取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失,留存的磁畴将向外磁场的方向旋转,以后再继续增加磁场,所有磁畴都沿外磁场方向整齐排列,磁化达到饱和。

Page 112: §8-1  恒定电流

返回 退出

几种材料的居里温度: 铁 镍 钴 30%坡莫合金 78%坡莫合金

1043K 631K 1388K 343 K 580 K

Page 113: §8-1  恒定电流

返回 退出

三、磁性材料的分类

矫顽力小 (Hc<102 A•m-1) ,磁滞回线窄,所围的面积小,磁滞损耗小。

矫顽力大,剩磁大、磁滞回线宽,所围的面积大,磁滞损耗大。

• 软磁材料

• 硬磁材料

如碳钢、钨钢、铝镍钴合金等。适用于制成各种类型的永久磁铁。

如纯铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。适用于交变磁场中,常用作变压器、继电器、电动机、电磁铁和发动机的铁心。

Page 114: §8-1  恒定电流

返回 退出

磁滞回线接近于矩形,剩磁 Br 接近饱和值 Bs 。如铁氧体材料。

当矩磁材料在不同方向的外磁场磁化后,总是处于 +Bs

和 -Bs 两种剩磁状态,可作电子计算机的“记忆”元件。

• 矩磁材料

Page 115: §8-1  恒定电流

返回 退出

将铁磁材料制作成厚的空壳状,当壳外有磁场时,铁磁质就将绝大部分磁感线(即磁场)导入体内,将进入壳内空腔的磁场降到最低值。

静磁屏蔽

外壳越厚、磁导率越高,屏蔽的效果就越好。