1、第七章 穩(wěn)定磁場,上海磁浮列車,7.2 磁場 磁感應(yīng)強度,7-2-1 磁的基本現(xiàn)象,（1）具有磁性，能吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)。,永磁體的性質(zhì),在磁極區(qū)域，磁性較強,司南勺,（2）具有磁極，分磁北極N和磁南極S,永磁體的性質(zhì),航海羅盤,地球是一個巨大的永磁體,全球性的強烈地磁場擾動即磁暴。用專門儀器做系統(tǒng)觀測發(fā)現(xiàn)，磁暴與太陽耀斑有關(guān)，磁暴時極光十分活躍。,磁暴,極光是地球周圍的一種大規(guī)模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線（Field line）集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)，產(chǎn)生光芒，形成極光。經(jīng)常出現(xiàn)的地方是在

2、南北緯度67度附近的兩個環(huán)帶狀區(qū)域內(nèi)，阿拉斯加的費爾班（Fairbanks）一年之中有超過200天的極光現(xiàn)象，因此被稱為“北極光首都”。所以極光只能在地球的南北極被看見 .,極光,磁暴開始急、發(fā)展快、恢復(fù)慢，一般都持續(xù)兩三天才逐漸恢復(fù)平靜，磁照圖呈現(xiàn)明顯的起伏，這也是識別磁暴的標志.,磁暴,無論將磁體分割成多少段，所得到的每一段依舊有兩個磁極，磁單極子不存在,永磁體的性質(zhì),（3）磁極不能單獨存在,（4）磁極之間存在相互作用，同性相斥，異性相吸,1820年4月，丹麥物理學家奧斯特（17771851）發(fā)現(xiàn)了小磁針在通電導(dǎo)線周圍受到磁力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。,奧斯特實驗,磁鐵對載流導(dǎo)線、載流導(dǎo)線之間或載流

3、線圈之間也有相互作用。,實驗還發(fā)現(xiàn),磁現(xiàn)象與電荷的運動有著密切的關(guān)系。運動電荷既能產(chǎn)生磁效應(yīng)，也能受磁力的作用。,1821年，安培提出了關(guān)于物質(zhì)磁性的本質(zhì)假說,一切磁現(xiàn)象的根源是電流。磁性物質(zhì)的分子中存在回路電流，稱為分子電流。分子電流相當于基元磁鐵，物質(zhì)對外顯示出磁性，取決于物質(zhì)中分子電流對外界的磁效應(yīng)的總和。,物質(zhì)磁性的起源,7-2-2 磁場和磁感應(yīng)強度,運動電荷,穩(wěn)定磁場,反映磁場性質(zhì)的物理量,磁感應(yīng)強度的方向,小磁針在場點處時其N 極的指向。,磁場分布不會隨時間發(fā)生變化，一般可由恒定電流激發(fā)而在電流周圍空間產(chǎn)生。,磁感應(yīng)強度,磁感應(yīng)強度大小的定義,一、點電荷q0以同一速率v沿不同方向運

4、動。,2. q0沿磁場方向運動時,3. q0垂直磁場方向運動時,磁感應(yīng)強度大小的定義,二、在垂直于磁場方向改變運動電荷的速率v，改變點電荷的電量q0。,在磁場中同一場點，F(xiàn)max/q0v 為 一 恒 量 在磁場中不同場點，F(xiàn)max/q0v 的量值不同,國際單位：特斯拉（T）,常用單位：高斯 （G）,磁感應(yīng)強度大小的定義,7-2-3 磁感應(yīng)線,1.磁感應(yīng)線上任一點的切線方向都與該點的磁感應(yīng)強度的方向一致。 2.垂直通過單位面積的磁感應(yīng)線條數(shù)等于該處磁感應(yīng)強度B的大小。,條形磁鐵周圍的磁感應(yīng)線,直線電流的磁感應(yīng)線,磁感應(yīng)線為一組環(huán)繞電流的閉合曲線。沒有起點，沒有終點。,圓電流的磁感應(yīng)線,均勻帶電球

5、殼自旋磁場模擬,圓電流的磁場模擬,通電螺線管的磁感應(yīng)線,7-3-1 畢奧-薩伐爾定律,真空中的磁導(dǎo)率： o= 410-7 TmA-1,靜電場類比理解,+,+,+,1、5 點 ：,3、7點 ：,2、4、6、8 點,7-3-2 畢奧-薩伐爾定律的應(yīng)用,任意線電流在場點處的磁感應(yīng)強度B 等于構(gòu)成線電流的所有電流元在該點的磁感應(yīng)強度之矢量和。,磁感應(yīng)強度疊加原理,1. 一載流長直導(dǎo)線，電流強度為I ，導(dǎo)線兩端到P 點的連線與導(dǎo)線的夾角分別為1和2 。求距導(dǎo)線為a 處P 點的磁感應(yīng)強度。與電場比較?,無限長載流導(dǎo)線： 1= 0 , 2 = ,半無限長載流導(dǎo)線：1= 0 , 2 = /2,電流與磁感強度成

6、右螺旋關(guān)系,無限長載流長直導(dǎo)線的磁場,例 如圖，求三角形中心點處的磁感應(yīng)強度。,I,解 根據(jù)對稱性分析,圓形載流導(dǎo)線軸線上的磁場,p,*,2）,3）,1）若線圈有N匝,+,I,R,o,（1）,x,磁矩,面積 的正法線方向與環(huán)電流的流向成右手螺旋關(guān)系，其單位矢量 用表示。,N 匝環(huán)電流的磁矩,磁矩,圓電流的磁感應(yīng)強度用磁矩表示,磁偶極子,圓電流,電偶極子,載流密繞直螺線管內(nèi)部軸線上的磁場,螺線管半徑為 R； 導(dǎo)線中電流為 I； 單位長度線圈匝數(shù) n,在螺線管上的 x 處截取一小段,無限長螺線管,例1. 無限長載流平板，寬度為a，電流強度為I。求正上方處P點的磁感應(yīng)強度。,解：,根據(jù)對稱性： By

7、= 0,a無窮大?,dB,dBx,dBy,r,x,dx,dI,解 圓電流的磁場,例 半徑 為 的帶電薄圓盤的電荷面密度為 , 并以角速度 繞通過盤心垂直于盤面的軸轉(zhuǎn)動 ，求圓盤中心的磁感強度.,例. 半徑為R的圓盤均勻帶電，電荷密度為。若該圓盤以角速度繞圓心o旋轉(zhuǎn)，求軸線上距圓心x處的磁感應(yīng)強度以及磁矩。,解：,磁矩,例、有一蚊香狀的平面 N 匝線圈，通有電流 I ，每一圈近似為一圓周，其內(nèi)外半徑分別為a 及 b 。求圓心處 P 點的磁感應(yīng)強度。,解：,運動電荷的磁感應(yīng)強度公式：,7-3-3 運動電荷的磁場,拓展-同步輻射簡介,1947年4月16日，美國紐約州通用電氣公司的實驗室中，正在調(diào)試一

8、臺能量為70兆電子伏的電子同步加速器，偶然從反射鏡中看到了在水泥防護墻內(nèi)的加速器里有強烈“藍白色的弧光”，光的顏色隨電子的能量變化而變化。當電子能量降到40兆電子伏時，光變?yōu)辄S色；降到30兆電子伏時，變?yōu)榧t色且強度變?nèi)酰唤档?0兆電子伏時，就什么也看不見了。,同步輻射,這種由電子作加速運動時所輻射的電磁波是在同步加速器上首先發(fā)現(xiàn)的，所以人們就稱它為“同步加速器輻射”，簡稱“同步輻射”?！巴捷椛洹钡陌l(fā)現(xiàn)立即在當時的科學界引起轟動，為同步輻射光的廣泛應(yīng)用揭開了序幕。,同步輻射的原理,實驗物理和電動力學的基本結(jié)論: 自由電子在作加速度運動時, 將產(chǎn)生電磁輻射 電子的速率發(fā)生變化: 在前向產(chǎn)生輻射

9、電子的方向發(fā)生變化: 在切線方向產(chǎn)生同步輻射,同步輻射的特點,高亮度：同步輻射的亮度比最強的X光管特征線亮度強萬倍以上。用X光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘。,高亮度,北京同步輻射裝置所發(fā)射的光的亮度為1013，這是屬于第一代裝置，第三代裝置，亮度達10171018。,同步輻射的特點,寬波譜：覆蓋了紅外、可見、紫外和X光波段,是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長,進行單色光的實驗,一臺同步輻射裝置，在儲存環(huán)中運行的電子的能量和軌道的彎轉(zhuǎn)半徑將決定這臺同步加速器所輻射的光譜形狀。光子

10、能量范圍從幾個電子伏特到幾十MeV，相應(yīng)的波長從幾微米到幾百皮米(10-12米)，即從遠紅外到硬X射線，且可調(diào)。,寬波譜,光子能量(eV),高準直,同步輻射光是沿電子運動軌道的切線方向在一個很小的角度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，在與軌道平面的垂直方向上所張的角度很小，因此有很好的準直性。,脈沖性,在加速器儲存環(huán)中電子以束團形式運動。電子束團密度決定了光脈沖的寬度。環(huán)形加速器的周長則決定了脈沖的周期，對于1個周長為L的加速器，由于能量為GeV量級，電子的速度已十分接近光速(V=0.99999987c)，所以脈沖周期為T=L/C。如果電子束團長度為S，則脈沖的持續(xù)時間，即脈沖寬度為t=S/c。,T,t,脈沖

11、性：,北京同步輻射裝置，周長為240.4米，假設(shè)只有一個束團運行，束團長S=3厘米，則脈沖周期為T=0.8微秒，脈沖寬度為=0.1納秒。人們利用這個特定的時間結(jié)構(gòu)，來研究物質(zhì)的動態(tài)和瞬態(tài)過程。,T=0.8ms,t=100ps,偏振性,在電子軌道平面中的同步輻射光是完全的線偏振光，光的電矢量就在電子的軌道平面內(nèi)。這種偏振特性很有用，是普通X光所沒有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。,因為同步輻射光是電子在超高真空的環(huán)境中作加速運動而產(chǎn)生的，是特別“干凈”，非?！凹儭钡墓?。不像X光管，管內(nèi)有殘余氣體，而殘余氣體，受電子轟擊也會發(fā)光。利用這種“干凈”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大規(guī)模集成電路的光刻等。,“光譜純”的光,同步輻射裝置,同步輻射光源的原理圖,62,我國的同步輻射裝置,北京電子對撞機-同步輻射兼用模式,合肥同步輻射裝置-專用模式,64,上海同步輻射裝置(上海光源)-專用模式,http:/,65,臺灣同步輻射裝置-專用模式,實驗站,同步輻射裝置是一個大科學裝置，可供各種專業(yè)