大學(xué)物理恒定磁場/09本章導(dǎo)讀3靜止電荷的在著靜電場，運(yùn)動(dòng)電荷的僅存在電場，而且還存在磁場。本章研究由恒定電流所激發(fā)的穩(wěn)恒磁場的性質(zhì)和規(guī)律，主要內(nèi)容有描述磁場的基本物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度，電流激發(fā)磁場的規(guī)律——畢奧—薩伐爾定律，反映磁場性質(zhì)的基本定理——磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理，磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力——洛倫茲力和磁場對電流的作用力——安培力，磁場中的磁介質(zhì)等。9.1恒定電流9.1.1電流和電流密度電流：是電荷做定向運(yùn)動(dòng)形成的。傳導(dǎo)電流：電荷的攜帶者稱為載流子，金屬導(dǎo)體中的載流子是大量可以做自由運(yùn)動(dòng)的電子，半導(dǎo)體中的載流子是電子和帶正電的“空穴”，電解液中的載流子是其中的正、負(fù)離子，這些載流子形成的電流。9.1恒定電流9.1.1電流和電流密度恒定電流：電流的大小和方向不隨時(shí)間而變化（俗稱直流）。如果在單位時(shí)間內(nèi)通過某一根粗細(xì)不均的導(dǎo)線各截面的電流I相同，那么在導(dǎo)線不同點(diǎn)的電流情況將不同。9.1恒定電流9.1.1電流和電流密度9.1.2電源的電動(dòng)勢電源：是把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置。各種形式的能量都可轉(zhuǎn)化為電勢能，所以有各種各樣的電源。例如，化學(xué)電池、發(fā)電機(jī)、熱電偶、硅（硒）太陽電池、核反應(yīng)堆等電源，它們分別是把化學(xué)能、機(jī)械能、熱能、太陽能、核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱菽艿难b置。9.1恒定電流9.1.2電源的電動(dòng)勢9.1恒定電流9.2.1磁現(xiàn)象9.2磁感應(yīng)強(qiáng)度早期人們對磁現(xiàn)象的基本認(rèn)識可以歸納為以下幾點(diǎn)。自然界中沒有單一磁極存在。把磁鐵作任意的分割，每一小塊都有N極和S極，它們總是成對的出現(xiàn)，至今尚未發(fā)現(xiàn)磁單極子的存在。磁鐵之間有相互作用，同名磁極相斥，異名磁極相吸。磁鐵具有吸引鐵、鎳、鈷等物質(zhì)的性質(zhì)，稱為磁性。磁鐵有兩個(gè)磁極，當(dāng)自由懸掛時(shí)，它的一端恒指北，稱為北極（N極），另一端恒指南，稱為南極（S極）。安培于1822年提出分子電流的假說：磁鐵是由分子和原子組成的，原子核外電子繞核運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)形成的環(huán)形電流稱為分子電流。9.2.1磁現(xiàn)象9.2磁感應(yīng)強(qiáng)度9.2.2磁感應(yīng)強(qiáng)度9.2磁感應(yīng)強(qiáng)度9.2.2磁感應(yīng)強(qiáng)度9.2磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)檢驗(yàn)電荷帶負(fù)電時(shí)，所受磁力的方向與正檢驗(yàn)電荷的受力方向相反。9.2.2磁感應(yīng)強(qiáng)度9.2磁感應(yīng)強(qiáng)度9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用9.3.1畢奧—薩伐爾定律9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用9.3.1畢奧—薩伐爾定律9.3.2畢奧—薩伐爾定律的應(yīng)用9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解1，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解1，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解1，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解2，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解2，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解2，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解3，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解3，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解3，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解3，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解4，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解4，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用9.3.3運(yùn)動(dòng)電荷的磁場9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用9.3.3運(yùn)動(dòng)電荷的磁場9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用例題講解5，，，，9.3畢奧—薩伐爾定律及其應(yīng)用9.4.1磁感應(yīng)線9.4磁場的高斯定理在靜電場中，我們曾用電場線直觀形象地描繪靜電場中各處電場強(qiáng)度E的分布。同樣，在磁場中，也可以引入一些假象的曲線來描繪磁場中各處磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布，這些曲線稱為磁感應(yīng)線。磁場較強(qiáng)的地方，磁感應(yīng)線密集，反之，磁感應(yīng)線較稀疏。9.4.1磁感應(yīng)線9.4磁場的高斯定理磁感應(yīng)線有以下特點(diǎn)。（1）磁場中任意兩條磁感應(yīng)線不相交，這是因?yàn)榇艌鲋忻恳稽c(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度都具有唯一確定的方向。（2）每一條磁感應(yīng)線都是環(huán)繞電流的閉合曲線，磁感應(yīng)線的環(huán)繞方向與電流的流向構(gòu)成右手螺旋定則，如圖所示。9.4.2磁通量9.4磁場的高斯定理9.4.2磁通量9.4磁場的高斯定理9.4.3磁場的高斯定理9.4磁場的高斯定理9.4.3磁場的高斯定理9.4磁場的高斯定理例題講解6，，，，9.4磁場的高斯定理9.5.1安培環(huán)路定理9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用設(shè)真空中有一無限長直導(dǎo)線，通有電流I。9.5.1安培環(huán)路定理9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用設(shè)真空中有一無限長直導(dǎo)線，通有電流I。9.5.1安培環(huán)路定理9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用設(shè)真空中有一無限長直導(dǎo)線，通有電流I。9.5.1安培環(huán)路定理9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用9.5.2安培環(huán)路定理的應(yīng)用9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用1．長直載流圓柱體的磁場9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用1．長直載流圓柱體的磁場9.5.2安培環(huán)路定理的應(yīng)用9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用2．長直載流螺線管的磁場長直螺線管是常用的電氣器件，一般都是密繞的。當(dāng)通有電流時(shí)，螺線管內(nèi)產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場，而在螺線管外部遠(yuǎn)離兩端的磁場很弱，可以認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為零。下面通過例題來說明長直載流螺線管內(nèi)的磁場。例題講解8，，，，9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用例題講解8，，，，9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用9.5.2安培環(huán)路定理的應(yīng)用9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用3．載流螺線環(huán)內(nèi)的磁場螺線環(huán)又稱螺繞環(huán)，是指繞在圓環(huán)上的螺線形線圈。一般來說，圓環(huán)上的線圈是密繞的，所以圓環(huán)外的磁場很微弱，可以略去不計(jì)。也就是說，我們可以認(rèn)為磁場全部集中在螺線環(huán)內(nèi)。下面通過例題來說明載流螺線環(huán)內(nèi)的磁場。例題講解9，，，，9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用例題講解9，，，，9.5磁場的安培環(huán)路定理及其應(yīng)用9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6.1洛倫茲力9.6.2帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)1．帶電粒子的初速度v垂直于B9.6.2帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)2．帶電粒子的初速度v與B成任意夾角9.6.2帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6.2帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)9.6.3霍爾效應(yīng)9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)將一長為l，寬為b，厚為d的導(dǎo)體薄片垂直放入均勻磁場B中，沿圖示方向在薄片中通以電流I時(shí)，在薄片的縱向兩端將出現(xiàn)一定的電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢差稱為霍爾電勢差。9.6.3霍爾效應(yīng)9.6帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用9.7.1安培定律在磁場中有一電流元Idl，電流元所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。電流元中電子以速度v定向運(yùn)動(dòng)，其方向與電流的流向相反。9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用9.7.1安培定律9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用9.7.1安培定律例題講解10，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用例題講解10，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用例題講解11，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用例題講解11，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用9.7.2磁力矩9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用9.7.2磁力矩9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用9.7.2磁力矩9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用例題講解12，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用例題講解13，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用例題講解13，，，，9.7磁場對載流導(dǎo)線的作用1．載流導(dǎo)線在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)磁場力所做的功，，9.8磁力的功2．載流線圈在磁場內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁場力所做的功，，9.8磁力的功例題講解14，，，，9.8磁力的功例題講解14，，，，9.8磁力的功9.9.1磁介質(zhì)，，9.9磁介質(zhì)中的磁場磁介質(zhì)是指在磁場作用下，其狀態(tài)發(fā)生變化，并反過來影響磁場存在和分布的物質(zhì)。磁介質(zhì)在磁場作用下狀態(tài)的變化稱為磁化。9.9.1磁介質(zhì)，，9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.2磁介質(zhì)的磁化機(jī)理，，9.9磁介質(zhì)中的磁場如果把分子看作一個(gè)整體，則分子中電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)將形成微小的環(huán)形電流（稱為分子電流），因而具有一定的磁矩，該磁矩分別稱為軌道磁矩和自旋磁矩。軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和稱為分子的固有磁矩，用符號m表示。在順磁質(zhì)中每個(gè)分子中的電子在外磁場中同樣會(huì)受到洛倫茲力的作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與外磁場反向的附加磁矩，因此順磁質(zhì)同樣存在著抗磁效應(yīng)，但是順磁質(zhì)的抗磁效應(yīng)小于其順磁效應(yīng)，總體上表現(xiàn)出順磁效應(yīng)。9.9.3磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，，9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.4磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.5磁介質(zhì)中的高斯定理9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.6鐵磁質(zhì)，，1．磁疇從物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)來看，鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間因自旋運(yùn)動(dòng)引起的相互作用是非常強(qiáng)烈的，在這種情況下，鐵磁質(zhì)形成了一些微小的自發(fā)磁化區(qū)域，稱為磁疇。在沒有外磁場作用時(shí)，各磁疇的自發(fā)磁化磁矩的取向是無規(guī)則的，如圖所示。當(dāng)鐵磁質(zhì)處于外磁場中時(shí)，各個(gè)磁疇的磁矩在外磁場的作用下都趨于沿外磁場方向排列，使整個(gè)磁疇趨于外磁場方向，如圖所示。9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.6鐵磁質(zhì)，，2．磁化曲線與磁滯回線9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.6鐵磁質(zhì)，，2．磁化曲線與磁滯回線9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.6鐵磁質(zhì)，，3．鐵磁質(zhì)的分類9.9磁介質(zhì)中的磁場9.9.6鐵磁質(zhì)，，3．鐵磁質(zhì)的分類9.9磁介質(zhì)中的磁場本章小結(jié)1．恒定電流，，，，2．