朱衛(wèi)華大學物理-2-安培環(huán)路定律與安培定律和帶電粒子的作用和磁介質2019ppt課件

1、在磁場中經過恣意閉合在磁場中經過恣意閉合曲面的磁感應強度通量曲面的磁感應強度通量等于零。等于零。0dcosdSSBSB拓展:法向延續(xù)7-5-1 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理在真空中穩(wěn)定電流的磁場中，磁感應強度沿恣意閉合在真空中穩(wěn)定電流的磁場中，磁感應強度沿恣意閉合途徑途徑 L 的線積分等于被此閉合途徑所包圍并穿過的的線積分等于被此閉合途徑所包圍并穿過的電流的代數和的電流的代數和的 倍，而與途徑的外形和大小無關。倍，而與途徑的外形和大小無關。 0iLIlB0d留意留意1. 1. 安培環(huán)路定理表達式中的安培環(huán)路定理表達式中的電流強度是指閉合曲線所包電流強度是指閉合曲線所包圍，并穿過的電流強度，不圍，并

2、穿過的電流強度，不包括閉合曲線以外的電流。包括閉合曲線以外的電流。2. 2. 安培環(huán)路定理表達式中的磁感應強度安培環(huán)路定理表達式中的磁感應強度B B是閉合曲線是閉合曲線內外一切電流產生的磁感應強度。內外一切電流產生的磁感應強度。I1I2I3I4L iLIlB0d 3. 3. 電流的符號規(guī)定電流的符號規(guī)定當電流方向與積分途徑的繞當電流方向與積分途徑的繞行方向構成右手螺旋關系時行方向構成右手螺旋關系時電流為正，反之為負。電流為正，反之為負。I1I2I3I4L留意留意驗證安培環(huán)路定理1. 長直導線電流穿過環(huán)路長直導線電流穿過環(huán)路rIBo 2 dcosdrl LLlBlBdcosd d2drrIlBL

3、oL 20d2IoIo r2. 2. 多根載流導線穿過環(huán)路多根載流導線穿過環(huán)路nBBBB 21lBBBlBLnLdd21LnLLlBlBlBddd21ionoooIIII213 3電流在環(huán)路之外電流在環(huán)路之外L1IL2AB21dddLLLlBlBlBrIBo202dd20021IILLadcbdcLbalBlBlBlBlBddddd1. 1. 長直螺線管內的磁感應強度長直螺線管內的磁感應強度dclB0d0ddadcblBlBcabdBlBlBlBbaLdd穿過矩形環(huán)路的電流強度：穿過矩形環(huán)路的電流強度：lnIIiioLIlBd安培環(huán)路定理：安培環(huán)路定理：lnIlBonIBocabdB2. 2.

4、 螺線環(huán)內的磁感應強度螺線環(huán)內的磁感應強度IlBoLdNIrBo2rNIBo2環(huán)路環(huán)路 L磁感應磁感應線線無限大電流平面的磁場無限大電流平面的磁場-與電場作類比與電場作類比02 E 20jB ?1、球對稱電場電場0 qsdES2、軸對稱的電場、軸對稱的電場3、無限大帶平面或具有一、無限大帶平面或具有一定厚度無限大平面的電場定厚度無限大平面的電場Ar rA 電場高斯定理和磁場安培環(huán)電場高斯定理和磁場安培環(huán)路定理運用總結路定理運用總結球對稱軸對稱A 電場左右對稱E帶電體內不同平面上電場不相等rIlBoLd運用運用IlBoLd運用運用 0j單位面積電流密度7.6 磁場對運動電荷的作用H.A.Lore

5、ntz荷蘭物理學家荷蘭物理學家xyzo一一 帶電粒子在電場和磁場中所受的力帶電粒子在電場和磁場中所受的力電場力電場力EqF e磁場力磁場力BqF vm+ +qvBmFBqEqFv運動電荷在電場運動電荷在電場和磁場中受的力和磁場中受的力洛侖茲力洛侖茲力RmBq200vvqBmR0vB0vqBmRT220vmqBTf21 盤旋半徑和盤旋頻率盤旋半徑和盤旋頻率. .電子的反粒子發(fā)現電子的反粒子發(fā)現 電子偶電子偶顯示正電子存顯示正電子存在的云室照片在的云室照片及其摹描圖及其摹描圖鋁板鋁板正電子正電子電子電子B19301930年狄拉克年狄拉克預言自然界存預言自然界存在正電子在正電子二二 帶電粒子在電磁場

6、中運動運用舉例帶電粒子在電磁場中運動運用舉例如圖電子由靜止出發(fā)，在平行板電容器的電場力作用下由負極如圖電子由靜止出發(fā)，在平行板電容器的電場力作用下由負極向正板板加速前進，與此同時，加一勻強磁場向正板板加速前進，與此同時，加一勻強磁場B B垂直于電場方垂直于電場方向，使電子沿曲線軌道運動。問已給極板間的電壓向，使電子沿曲線軌道運動。問已給極板間的電壓V V與板間間與板間間隔隔d d，磁感應強度，磁感應強度B B多大時，電子恰好不能到達正極板？這是多大時，電子恰好不能到達正極板？這是用磁場控制以使極板間電流被截止的平行磁控管的原理用磁場控制以使極板間電流被截止的平行磁控管的原理 VExy2.平行磁

7、控管解：取如下圖坐標系)(BvEedtvdm yxeBvdtdvm xyeBveEdtdvm ）（1）（2由12得 yyvmeBdtvdm22 xyEB tmeBCvysin ）（3代代入入( (2 2) )得得到到（3 3）tmeBCBEvxcos 00 xvtBEC )cos1(tmeBBEdtdx tmeBBEdtdysin )4(00 yvt)sin(tmeBeBmtBEx )cos1(2tmeBeBmEy 當磁場當磁場B增大到電子恰好不能到達正極板時應有增大到電子恰好不能到達正極板時應有)5( tmeB22eBmEd y=d時，時，Vy = 0,由由4、5得得 tmeB22eBmEd

8、 2022edmVedmEB 當磁場大于以上當磁場大于以上B0B0值時，電子將回到負極板上，值時，電子將回到負極板上，而當小于而當小于B0B0時，電子到達正極板而在兩板間構時，電子到達正極板而在兩板間構成電流。成電流。FxFyFBBv帶電粒子在非勻強磁場中的運動帶電粒子在非勻強磁場中的運動3.磁約束安裝線圈線圈線圈線圈B等離子體磁 塞3.磁約束安裝線圈線圈線圈線圈B等離子體磁 塞3.磁約束安裝線圈線圈線圈線圈等離子體磁 塞3.磁約束安裝3.磁約束安裝范艾侖范艾侖(J.A.Van Allen)輻射帶、極光輻射帶、極光地軸地軸B增大SN北極北極南極南極范艾侖輻射帶范艾倫輻射帶，指在地球附近的近層宇

9、宙空間中包圍著范艾倫輻射帶，指在地球附近的近層宇宙空間中包圍著地球的高能輻射層，由美國物理學家詹姆斯地球的高能輻射層，由美國物理學家詹姆斯范范艾倫發(fā)艾倫發(fā)現并以他的名字現并以他的名字 命名。范艾倫輻射帶分為內外兩層，內命名。范艾倫輻射帶分為內外兩層，內外層之間存在范艾倫帶縫，縫中輻射很少。外層之間存在范艾倫帶縫，縫中輻射很少。范艾倫輻射帶將地球包圍在中間。范范艾倫輻射帶將地球包圍在中間。范艾倫輻射帶主要由地磁場中捕獲的高艾倫輻射帶主要由地磁場中捕獲的高達幾兆電子伏的電子以及高達幾百兆達幾兆電子伏的電子以及高達幾百兆電子伏的質子組成，其中只需很少百電子伏的質子組成，其中只需很少百分比像分比像O+

10、O+這樣的重粒子。從幾百千米這樣的重粒子。從幾百千米到到60006000千米的低空稱為千米的低空稱為“內帶，有高內帶，有高能電子的能電子的60006000千米以上的高空稱為千米以上的高空稱為“外外帶。帶。范艾侖輻射帶范艾倫帶內的高能粒子對載人范艾倫帶內的高能粒子對載人空間飛行器、衛(wèi)星等都有一定空間飛行器、衛(wèi)星等都有一定危害，其內外帶之間的縫隙那危害，其內外帶之間的縫隙那么是輻射較少的平安地帶。么是輻射較少的平安地帶。范艾侖輻射帶極光極光范艾倫帶粒子的主要來源是被地范艾倫帶粒子的主要來源是被地球磁場俘獲之太陽風粒子，這些球磁場俘獲之太陽風粒子，這些帶電粒子在范艾倫帶兩轉機點間帶電粒子在范艾倫帶兩

11、轉機點間來回運動。當太陽發(fā)生磁暴時，來回運動。當太陽發(fā)生磁暴時，地球磁層受擾動變形，而局限在地球磁層受擾動變形，而局限在范艾倫帶的高能帶電粒子大量洩范艾倫帶的高能帶電粒子大量洩出，并隨磁力線於地球的極區(qū)進出，并隨磁力線於地球的極區(qū)進入大氣層，激發(fā)空氣分子產生美入大氣層，激發(fā)空氣分子產生美麗的極光。麗的極光。 4.4.磁聚焦與運用磁聚焦與運用在均勻磁場中某點在均勻磁場中某點 A 發(fā)射一束初速相差不大的帶電粒發(fā)射一束初速相差不大的帶電粒子子, 它們的運動方向它們的運動方向 不盡一樣不盡一樣 , 但與磁方向都較小但與磁方向都較小, 這些粒子沿半徑不同的螺旋線運動這些粒子沿半徑不同的螺旋線運動, 因螺

12、距近似相等因螺距近似相等, 都相交于屏上同一點都相交于屏上同一點, 此景象稱之為磁聚焦此景象稱之為磁聚焦 . 有正交電場的磁聚焦有正交電場的磁聚焦磁聚焦原理磁聚焦原理 vvv/sinvv cosvv/qBmT2qBmRvqBmd2cosvTv/螺距螺距運用運用 電子光學電子光學 電子顯微鏡等電子顯微鏡等 金屬鎳外表用金屬鎳外表用3535個惰性氣體氙原子組成個惰性氣體氙原子組成“IBMIBM三個英文三個英文這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨外表經過搬遷碳原子而繪制出的世界上最術在石墨外表經過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。小

13、的中國地圖。以下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附以下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶在銅單晶(111)(111)外表的外表的STMSTM圖象。圖象。液體中察看原子圖象液體中察看原子圖象5 . 電子荷質比的測定電子荷質比的測定調理調理B 使比值使比值 U陰陰極極控制極控制極陽極陽極BlnTvlx 0 U陰陰極極控制極控制極陽極陽極Bl=(1.758819620.00000053)1011C/kgqBmT22012xmveU222 28eUnmB lem6 6、速度選擇器、速度選擇器FmBqqEv + + + + + + + + + + + + +- - - - - - -

14、 - - - - - - -E+vFeBEveVm221v電子動能：電子動能：meV2v電子束打在屏幕中央的條件：電子束打在屏幕中央的條件：BEvmeVBE2222VBEme111kgC10)53(75881962. 1me電子的比荷：電子的比荷： kg10)54(1093897. 931m電子的質量：電子的質量： 不同的粒子質量分布在不同的位置不同的粒子質量分布在不同的位置7 質譜儀原理0qBmRv BEvBqBm0E 水銀同位素譜8 8、電子盤旋加速器、電子盤旋加速器盤旋加速器是一種粒子加速器。盤旋加速器經過高頻交流電壓來加速帶電粒子。9 9、電子盤旋加速器、電子盤旋加速器許多原子核、根本

15、粒子的性質有關的資訊，均是利用高能粒子轟擊原子靶atomic target而獲得的。1932年，約翰柯克勞夫與歐內斯特沃吞在英國制造了第一臺“原子擊破器atom smasher。他們是利用700,000V的高電壓對質子加速，然后再拿它們轟擊鋰靶。他們采用的方法雖然較為野蠻，但確實是他們采用的方法雖然較為野蠻，但確實是建構出了這么個高電壓。在建構出了這么個高電壓。在1929年時，勞年時，勞倫斯就曾經思索過這種能夠性：將粒子反倫斯就曾經思索過這種能夠性：將粒子反復地經由一復地經由一“相對小電壓做加速，而不相對小電壓做加速，而不是一次就用一個宏大電壓去做加速。他于是一次就用一個宏大電壓去做加速。他于

16、是與李明斯頓協(xié)作，開展出了盤旋加速器是與李明斯頓協(xié)作，開展出了盤旋加速器cyclotron。第一部盤旋加速器建于。第一部盤旋加速器建于1930年，稍后的改良那么于年，稍后的改良那么于1934年完成。年完成。8 8、電子盤旋加速器、電子盤旋加速器E.O. 勞倫斯 (1901-1957) 1932年設計的世界上第一臺盤旋加速器此加速器可將質子和氘核加速到此加速器可將質子和氘核加速到1MeV的能量，為此的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學獎年勞倫斯獲得諾貝爾物理學獎.帶電粒子束帶電粒子束N線圈線圈S鐵鐵芯芯接振蕩器接振蕩器9 9、電子盤旋加速器、電子盤旋加速器環(huán)形環(huán)形真空室真空室mqBf2m

17、qBR0v2k21vmE 頻率與半徑無關頻率與半徑無關到半圓盒邊緣時到半圓盒邊緣時mRBqE22022k盤旋加速器原理圖盤旋加速器原理圖NNS SB B2D1DOONN 例例 有一盤旋加速器，交變電壓的頻率為有一盤旋加速器，交變電壓的頻率為 ，半圓形電極的半徑為半圓形電極的半徑為0.532m0.532m。 問問 加速氘核所需的磁加速氘核所需的磁感應強度為多大？氘核所能到達的最大動能為多大？感應強度為多大？氘核所能到達的最大動能為多大？其最大速率有多大？其最大速率有多大？Hz10126解解T56. 1T106 . 11012103 . 31962722BqmfMeV7 .1622022kmRBq

18、E170sm1002. 4mqBRv盤旋加速器真空室表示圖束流線束流線高壓高壓電源電源真空泵真空泵丈量電容丈量電容離子源離子源束流束流探測器探測器D形形電極電極真空真空室室 靜電靜電偏轉板偏轉板微調微調電容電容四極四極透鏡透鏡 束流束流探測器探測器中國第一臺盤旋加速器 中國科學院高能物理研討所中國科學院高能物理研討所 90Mev加速器加速器我國于我國于19941994年建成的第一臺強流質子加速年建成的第一臺強流質子加速器器 ，可產生數十種中短壽命放射性同位素，可產生數十種中短壽命放射性同位素 10. 10. 霍耳效應霍耳效應1879年霍耳A.H.Hall發(fā)現：在勻強磁場中通電的金屬導體板的上下

19、外表出現橫向電勢差，這一景象稱為霍耳效應。10. 10. 霍耳效應霍耳效應dBIbHUdIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓BqqEdHvBEdHvBbUdHv+qdv+ + + + + - - - - -eFmFnqdIBUHnqR1H霍耳霍耳系數系數dBIbHUdIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓+qdv+ + + + + - - - - -eFmFbdqndvSqnIdvBbUdHvdIBRH I+ + +- - -+-HUBmFdv霍耳效應的運用霍耳效應的運用1 1判別半導體的類型判別半導體的類型mF+ + +- - - HU-BI+-dvP 型半導體型半導體N 型半導體型半導體2)霍耳效應測磁場d

20、IBRUHH霍耳電壓霍耳電壓根據霍爾效應做成的霍爾器件，就是根據霍爾效應做成的霍爾器件，就是以磁場為任務媒體，將物體的運動參以磁場為任務媒體，將物體的運動參量轉變?yōu)閿底蛛妷旱姆绞捷敵?，使之量轉變?yōu)閿底蛛妷旱姆绞捷敵?，使之具備傳感和開關的功能具備傳感和開關的功能.3)3)霍耳效應在汽車中的運用霍耳效應在汽車中的運用霍爾器件訖今為止，已在現代汽車上廣泛運用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及任務形狀診斷、發(fā)動機轉速及曲軸角度傳感器、各種開關，等等.3)3)霍耳效應在汽車中的運用霍耳效應在汽車中的運用例如汽車點

21、火系統(tǒng)，設計者將霍爾傳感器放在分電器內取例如汽車點火系統(tǒng)，設計者將霍爾傳感器放在分電器內取代機械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈代機械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉速變化的磁場在帶電的半導體層內產生脈沖發(fā)生器隨著轉速變化的磁場在帶電的半導體層內產生脈沖電壓，控制電控單元沖電壓，控制電控單元ECUECU的初級電流。相對于機械斷的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，可以順電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，可以順應惡劣的任務環(huán)境，還能準確地控制點火正時，可以較大應惡劣的任務環(huán)境，還能準確地控制點火正時，可以較大幅度提高發(fā)

22、動機的性能，具有明顯的優(yōu)勢。用作汽車開關幅度提高發(fā)動機的性能，具有明顯的優(yōu)勢。用作汽車開關電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。3)3)霍耳效應在汽車中的運用霍耳效應在汽車中的運用轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調電機和雨刮器電機在開關時會產生浪大的前照燈、空調電機和雨刮器電機在開關時會產生浪涌電流，使機械式開關觸點產生電弧，產生較大的電磁涌電流，使機械式開關觸點產生電

23、弧，產生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關電路可以減小這些景象。干擾信號。采用功率霍爾開關電路可以減小這些景象?；魻柶骷涍^檢測磁場變化，轉變?yōu)殡娦盘栞敵?，可用霍爾器件經過檢測磁場變化，轉變?yōu)殡娦盘栞敵觯捎糜诒O(jiān)視和丈量汽車各部件運轉參數的變化。于監(jiān)視和丈量汽車各部件運轉參數的變化。3)3)霍耳效應在汽車中的運用霍耳效應在汽車中的運用例如位置、位移、角度、角速度、轉速等等，并可將例如位置、位移、角度、角速度、轉速等等，并可將這些變量進展二次變換；可丈量壓力、質量、液位、這些變量進展二次變換；可丈量壓力、質量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐?/p>

24、接與電控單元接口，可實現自動檢測。目前的霍爾器件都可接受一定的振可實現自動檢測。目前的霍爾器件都可接受一定的振動，可在零下動，可在零下4040攝氏度到零上攝氏度到零上150150攝氏度范圍內任務，攝氏度范圍內任務，全部密封不受水油污染，完全可以順應汽車的惡劣任全部密封不受水油污染，完全可以順應汽車的惡劣任務環(huán)境。務環(huán)境。 3)3)霍耳效應在汽車中的運用霍耳效應在汽車中的運用11 11 磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電效率可達效率可達55%55%11.11.磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電法國物理學家法國物理學家安培定律安培實驗：磁鐵對通電導線的作用安培實驗：磁鐵對通電導線的作用7-7-1 7-7-

25、1 載流導線在磁場中受的力載流導線在磁場中受的力BlIF dd電子受的合力電子受的合力=?安培定律安培定律安培力產生的機理？安培力產生的機理？IfqB v設：設： 電子數密度電子數密度 n電流元截面積電流元截面積 S電流元中的電子數電流元中的電子數 nSdl電子電量電子電量 大小大小 q電流元中的離子數也為電流元中的離子數也為 nSdl nSdl，每個離子受的電，每個離子受的電場力等于電子的洛侖茲力。場力等于電子的洛侖茲力。fv Ef安培力是離子受力的宏觀表達安培力是離子受力的宏觀表達fqB v flnSF ddBv lnSq dBv qfBlIF dd安培定律安培定律安培力的根安培力的根本計

26、算公式本計算公式LBlIFdfv EfI B lIdvqnSI 根據對稱性分析根據對稱性分析jFFy2202xFjBABIF1解解sindd222FFFy例例 1 如圖一通有電流如圖一通有電流I 的閉合半圓周回路放在磁感應的閉合半圓周回路放在磁感應強度為強度為 B 的均勻磁場中，回路平面與磁感強度的均勻磁場中，回路平面與磁感強度 垂直垂直 。 電流為順時針方向電流為順時針方向, 求磁場作用于閉合導線的力。求磁場作用于閉合導線的力。ABCxyIBo1F2dFRlId2dFlId sindd222 FFFy sindlBI 0dsin BIRjABBIjRBIF )2(2 ddRl jABBIF1

27、021FFFBIR2 PxyoIBLFd0dd00yBIFFxxjBILFFyBILxBIFFLyy0dd sindsinddlBIFFx 解法解法1 1取一段電流元取一段電流元lId cosdcosddlBIFFy例例 2 2 求如圖不規(guī)那么的平面載流導線在均勻磁求如圖不規(guī)那么的平面載流導線在均勻磁場中所受的力。場中所受的力。lId恣意平面載流導線在均勻恣意平面載流導線在均勻磁場中所受的力磁場中所受的力 , ,與其始與其始點和終點一樣的載流直導點和終點一樣的載流直導線所受的磁場力一樣。線所受的磁場力一樣。直接用安培定律積分如何求直接用安培定律積分如何求? ?PxyoIBLFdlId 結論Px

28、yoIBLFdlIdBlIF dd BlIFd BlI)d(BLI ILBF 均勻磁場中閉合導均勻磁場中閉合導線回路受的安培力線回路受的安培力? ? LBlIFd LBlI)d(0 直接用安培定律積分如何求直接用安培定律積分如何求? ?解法2例題例題3 半徑為半徑為 R 的平面圓形線圈中載有電流的平面圓形線圈中載有電流I2，另一，另一無限長直導線無限長直導線 AB 中載有電流中載有電流 I1設設 AB 經過圓心，并和經過圓心，并和圓形線圈在同圓形線圈在同 一平面內如圖一平面內如圖,求圓形線圈所受的磁求圓形線圈所受的磁力。力。 1IAB2I1IABdlI2 FdFd cos2101RIB dlI

29、BdF21 dlIRI210cos2 dII210cos2 cos21dlIBdFx dII2102 1IABdlI2 Fd Fd yxFd dIIFx210202 210II 0 yF210IIF 1IABdlI2 Fd Fd xyrxI2I1例例4 . 4 . 無限長直載流導線通有電流無限長直載流導線通有電流I1 I1 ，在同一平面，在同一平面內有長為內有長為L L的載流直導線，通有電流的載流直導線，通有電流I2 I2 。如下圖。如下圖求：長為求：長為L L的導線所受的磁場力。的導線所受的磁場力。解：lBIFdd2 coslrxcosddxl cosd2d21xxIIFodxxldFdlx

30、IlIo 2d12 同窗們練習rxI2I1cosd2d21xxIIFo cos21dcos2dLrroxxIIFFdxxldFdlrLrIIo coslncos221 平行電流間的相互作用I2平行電流間的相互作用aIBo222aIBo21112112112d2ddlaIIlBIFo單位長度受力單位長度受力aIIlFo2dd21112aIIlFo2dd21221dF12dl1B2dF21dl2B1設： I1 = I2 = 1 A，a = 1 m單位長度導線遭到的磁力：單位長度導線遭到的磁力：12111042721aIIdldFo17102mNI2F12 F21I2F12 F21兩平行長直導線相距

31、兩平行長直導線相距1m，經過大小相等的電流，假經過大小相等的電流，假設這時它們之間單位長度設這時它們之間單位長度導線遭到的磁場力正好是導線遭到的磁場力正好是210-7 Nm時，就把兩時，就把兩導線中所經過的電流定義導線中所經過的電流定義為為“1安培。安培。兩通電線圈的相互作用兩通電線圈的相互作用模型引見：兩通電線圈，其中模型引見：兩通電線圈，其中一個線圈固定不動，另一線圈一個線圈固定不動，另一線圈在重力作用下下落，由于兩線在重力作用下下落，由于兩線圈的磁場相互排斥，且排斥力圈的磁場相互排斥，且排斥力隨下落增大，最后重力與磁力隨下落增大，最后重力與磁力到達平衡，線圈的運動也趨于到達平衡，線圈的運

32、動也趨于靜止靜止 .下落線圈簡化為一磁偶極矩，下落線圈簡化為一磁偶極矩，固定線圈中心軸線的磁場可借固定線圈中心軸線的磁場可借用圓環(huán)電流的解析公式，也可用圓環(huán)電流的解析公式，也可由數值計算得到。這里場的計由數值計算得到。這里場的計算都是解析數值化的。算都是解析數值化的。兩通電線圈的相互作用兩通電線圈的相互作用建模建模mp相互作用能量曲線相互作用能量曲線Uz(z)UmBpm mgzUg 下落線圈的下落線圈的運動可由能運動可由能量方程確定量方程確定(z)502Bpzm.mgzEm)(2ddzBpmgzEtzm兩通電線圈的相互作用兩通電線圈的相互作用 sinFaM BmM sinBIabM m7-7-

33、2 載流線圈在磁場中所受的磁力矩0 F磁鐵磁鐵面板面板前游絲前游絲線圈線圈后游絲后游絲+ +芯芯鐵鐵極極靴靴指針指針磁電式電流計磁電式電流計磁電式電流計原理磁電式電流計原理aM aBNIS KNBSaI實驗測定實驗測定 游絲的對抗力矩與線圈轉過的角度成正比游絲的對抗力矩與線圈轉過的角度成正比. .NNS S磁磁鐵鐵五 磁力的功1. 載流直導線在勻強磁場中挪動時 IdWFdxdW BIldx IdFIIdx lB=dI 2. 載流線圈在磁場中轉動時cos=Id ()BSBsin d=SI.M.假設電流不變，那么有：假設電流不變，那么有：BmM sinmBM m IdWI MddW BI例例2.

34、2. 有一半徑為有一半徑為R R的閉合載流線圈，經過電流的閉合載流線圈，經過電流I I。今。今把它放在均勻磁場中，磁感應強度為把它放在均勻磁場中，磁感應強度為B B，其方向與線，其方向與線圈平面平行。求：圈平面平行。求：1 1以直徑為轉軸，線圈所受磁以直徑為轉軸，線圈所受磁力矩的大小和方向。力矩的大小和方向。2 2在力矩作用下，線圈轉過在力矩作用下，線圈轉過9090，力矩做了多少功？，力矩做了多少功？法一法一dsinsinddIBRlIBF作用力垂直于線圈平面作用力垂直于線圈平面sinddRFMdsin22IBRRdlM202221sinIBRdIBRdMM力矩的功力矩的功mBmBMW02si

35、nddIBRW22122RIm法二法二BmMsinmBM 2902RIm221IBRM線圈轉過線圈轉過9090時，磁通量的增量為時，磁通量的增量為BR22mIBRIW22m電磁炮電流從一條軌道經“炮彈流向另一條軌道，通電“炮彈在磁場中遭到安培力，從而發(fā)射出去.電磁炮是利用電磁發(fā)射技電磁炮是利用電磁發(fā)射技術制成的一種先進武器術制成的一種先進武器電磁炮在未來武器的開展方案電磁炮在未來武器的開展方案中，已成為越來越重要的部分。中，已成為越來越重要的部分。美國海軍已在弗吉尼亞州達爾美國海軍已在弗吉尼亞州達爾格林的海軍水面作戰(zhàn)中心對電格林的海軍水面作戰(zhàn)中心對電磁軌道炮進展測試，估計將于磁軌道炮進展測試，

36、估計將于2019年配備上艦。年配備上艦。 電磁炮居里居里.P.P7-8-1 介質的磁化電介質極化回想定義1、無極分子的位移極化、無極分子的位移極化在外電場的作用下，在外電場的作用下，介質外表產生電荷介質外表產生電荷的景象稱為電介質的景象稱為電介質的極化。的極化。由于極化，在介質外由于極化，在介質外表產生的電荷稱為極表產生的電荷稱為極化電荷或稱束縛電荷。化電荷或稱束縛電荷。pFF2 2、有極分子的轉向極化、有極分子的轉向極化EoEoF FF F-pEoEo無極分子在外場的作用下無極分子在外場的作用下由于正負電荷發(fā)生偏移而由于正負電荷發(fā)生偏移而產生的極化稱為位移極化。產生的極化稱為位移極化。有極分

37、子在外場中發(fā)生偏轉有極分子在外場中發(fā)生偏轉而產生的極化稱為轉向極化。而產生的極化稱為轉向極化。eMpE介質中的靜電場介質中的靜電場場場介介p n Sqp dS epPV0()SqqE dS內0SD dSq內mMVsnjMesLM dlIsoLIIl dBLH dlI內0DPE0(1)eDEE0ePE oBHMmMHHBmo)1 (H00(1)er 1re (1)omor 1rm 7-8-1 介質的磁化當一塊介質放在外磁場中將會與磁場發(fā)生相互作用，當一塊介質放在外磁場中將會與磁場發(fā)生相互作用，介質外表會產生磁化電流，介質中出現附加磁場。介質外表會產生磁化電流，介質中出現附加磁場。 這種景象叫這種

38、景象叫“磁化磁化 。B 動畫動畫BBBoorBB 令：令： = =0 0 r r 稱為磁導率稱為磁導率nIBoonIBBroor 磁介質分類磁介質分類 1 1順磁性介質：順磁性介質： 介質磁化后呈弱磁性。介質磁化后呈弱磁性。附加磁場附加磁場B與外場與外場B0同向。同向。 B B0 , r 12 2抗磁性介質：介質磁化后呈弱磁性?？勾判越橘|：介質磁化后呈弱磁性。附加磁場附加磁場B與外場與外場B0反向。反向。 B B0 , r B0 , r 14 4完全抗磁體：完全抗磁體： r r 0 0： B B 0 0，磁介，磁介質質 內的磁場等于零如超導體。內的磁場等于零如超導體。分子磁矩分子磁矩 順磁質和

39、抗磁質的磁化順磁質和抗磁質的磁化近代科學實際證明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞近代科學實際證明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道運動，還存在自旋運動。這兩種運動都能產生原子核的軌道運動，還存在自旋運動。這兩種運動都能產生磁效應。把分子或原子看作一個整體，分子或原子中各電子磁效應。把分子或原子看作一個整體，分子或原子中各電子對外產生磁效應的總和，可等效于一個圓電流，稱為對外產生磁效應的總和，可等效于一個圓電流，稱為“分子電分子電流。分子電流的磁矩稱為流。分子電流的磁矩稱為“分子磁矩表示為分子磁矩表示為 m+ +- - -+ +各電子磁矩各電子磁矩lmlm+ +- -分子磁矩分

40、子磁矩m特點：存在分子固有磁矩。特點：存在分子固有磁矩。0im外磁場中：外磁場中：0im- -+ + +- -+ +- -mmmB+ +- - -+ +- -+ +mmmMmB無外磁場無外磁場順順 磁磁 質質 的的 磁磁 化化0B有外磁場有外磁場sI特點：分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應。特點：分子固有磁矩等于零，因此不存在順磁效應。+ +lmB- -lmmfmf+ +- -vlmBlmefef+ +lmBv- -lmmf+ +- -vlmBlm mfefef202rem 202er 220rmfe 22rmffme B/22rem結論附加電子磁矩附加電子磁矩 的方向總是和外磁場的方向總

41、是和外磁場 方向相反。方向相反。lm0B由于分子中每一個運動電子都要產生與外磁場反向的由于分子中每一個運動電子都要產生與外磁場反向的附加磁矩附加磁矩 ，分子中各電子附加磁矩的矢量和即為，分子中各電子附加磁矩的矢量和即為分子的附加磁矩分子的附加磁矩 。磁。磁 介質中大量分子的附加磁介質中大量分子的附加磁矩在宏觀上對外顯示出磁效應。這一磁效應與外磁場矩在宏觀上對外顯示出磁效應。這一磁效應與外磁場方向相反，我們把它稱為方向相反，我們把它稱為“抗磁效應?？勾判mm在抗磁質和順磁質中都會存在抗磁質和順磁質中都會存在抗磁效應，只是抗磁效應在抗磁效應，只是抗磁效應與順磁效應相比較要小得多，與順磁效應相

42、比較要小得多，因此在順磁質中，抗磁效應因此在順磁質中，抗磁效應被順磁效應所掩蓋。被順磁效應所掩蓋。 7-8-2 磁化強度與磁化電流1.1.磁化強度磁化強度 為了反映磁化程度的強弱，引入為了反映磁化程度的強弱，引入“磁化強度矢量磁化強度矢量VmM單位：1mA磁化強度是空間坐標的矢量函數。當磁化強度磁化強度是空間坐標的矢量函數。當磁化強度矢量為恒矢量時，磁介質被均勻磁化。矢量為恒矢量時，磁介質被均勻磁化。 留意留意: :2. 2. 磁化電流磁化電流 以長直螺線管為例：以長直螺線管為例：介質磁化以后，由于分子磁矩的有序陳列，其宏介質磁化以后，由于分子磁矩的有序陳列，其宏觀效果是在介質橫截面邊緣出現環(huán)

43、形電流，這種觀效果是在介質橫截面邊緣出現環(huán)形電流，這種電流稱為電流稱為“磁化電流磁化電流Is 。磁化電流是分子電流規(guī)那么陳列的宏觀反映，并不磁化電流是分子電流規(guī)那么陳列的宏觀反映，并不伴隨電荷的定向運動，不產生熱效應。而傳導電流伴隨電荷的定向運動，不產生熱效應。而傳導電流是由大量電荷作定向運動而構成的。是由大量電荷作定向運動而構成的。IslMS磁化面電流密度磁化面電流密度lIjss磁化強度矢量的大小與磁化強度矢量的大小與磁化面電流密度的關系磁化面電流密度的關系ssjlSlSjVmMIslMSsnjMenPnP介質外表單位長度上的磁化電流介質外表單位長度上的磁化電流MBsnjMenesj結論：當

44、磁化強度與磁介質外表的法向垂直時，磁結論：當磁化強度與磁介質外表的法向垂直時，磁化強度在數值上等于磁化電流面密度，它們之間的化強度在數值上等于磁化電流面密度，它們之間的關系由右手螺旋法那么確定。關系由右手螺旋法那么確定。mjM IsMadcbaddccbbaLl dM0adcbl dMl dM0dcl dMbssLaM dlM dlMabj abIsnjMe磁化強度環(huán)量磁化強度環(huán)量: :結論：磁化強度結論：磁化強度 沿閉合回路的環(huán)流，等于穿過沿閉合回路的環(huán)流，等于穿過回路所包圍面積的磁化電流?；芈匪鼑娣e的磁化電流。 M7-8-3 磁介質中的磁場 磁場強度磁介質在磁化后，由于外磁場磁介質在磁

45、化后，由于外磁場 和附加磁場和附加磁場 都都屬于渦旋場。因此，在有磁介質存在時，磁場中的高屬于渦旋場。因此，在有磁介質存在時，磁場中的高斯定理仍成立。斯定理仍成立。0BB1. 1. 有介質存在時的高斯定理有介質存在時的高斯定理 0SSdB2. 2. 有介質存在時的安培環(huán)路定理有介質存在時的安培環(huán)路定理 soLIIl dBLol dMIIl dMBLo定義“磁場強度MBHo存在磁介質時的安培環(huán)路定理 iLIl dH實驗指出：實驗指出：系數系數 m m稱為稱為“磁化率磁化率結論：磁場強度結論：磁場強度 沿任一閉合回路的環(huán)路積分，沿任一閉合回路的環(huán)路積分，等于閉合回路所包圍并穿過的傳導電流的代數和等

46、于閉合回路所包圍并穿過的傳導電流的代數和在方式上與磁介質中的磁化電流無關。在方式上與磁介質中的磁化電流無關。H單位：1mAmMHHBMBHmooHBmo)1 (HBroHB令：令： 稱為磁介質的稱為磁介質的“相對磁導率相對磁導率)1 (mr令：令：ro稱為磁導率稱為磁導率1 1在真空中：在真空中：100rmM2 2在順磁質中：在順磁質中：10rm3 3在抗磁質中：在抗磁質中：10rmIo r r例例5. 5. 一半徑為一半徑為R1R1的無限長圓柱形直導線，外面包的無限長圓柱形直導線，外面包一層半徑為一層半徑為R2R2，相對磁導率為，相對磁導率為r r 的圓筒形磁介質。的圓筒形磁介質。經過導線的

47、電流為經過導線的電流為I0 I0 。求磁介質內外磁場強度和。求磁介質內外磁場強度和磁感應強度的分布。磁感應強度的分布。R2R1221rRIrHlHL2d 212 RIrH212 RIrHBoo10Rr IrHlHL2drIHBroro221RrRrIHBoo2 rR2Io r r7-8-4 鐵磁質-視頻1. 磁滯回線磁滯回線 aoHBBr-HsHsbcdefHcOa: 起始磁化曲線起始磁化曲線Hs : 飽和磁場強度飽和磁場強度Br : 剩余磁感應強度剩余磁感應強度Hc : 矯頑力矯頑力鐵磁質的特點1、能產生非常強的附加磁場、能產生非常強的附加磁場B甚至是外磁場的甚至是外磁場的千百倍。而且與外場

48、同方向。千百倍。而且與外場同方向。3、B 和和H 呈非線性關系，呈非線性關系， 不是一個恒量。不是一個恒量。4、高、高 值。值。2、磁滯景象，、磁滯景象，B 的變化落后于的變化落后于H的變化。的變化。5、存在居里點、存在居里點鐵磁質轉化為順磁質和溫度鐵磁質轉化為順磁質和溫度鐵磁質的分類HB磁滯回線細而窄，矯頑力小。磁滯回線細而窄，矯頑力小。磁滯損耗小，容易磁化，容易磁滯損耗小，容易磁化，容易退磁，適用于交變磁場。如制退磁，適用于交變磁場。如制造電機，變壓器等的鐵芯。造電機，變壓器等的鐵芯。硬磁資料硬磁資料HB磁滯回線較寬，剩余磁滯回線較寬，剩余磁感應強度和矯頑力磁感應強度和矯頑力都比較大。都比

49、較大。適宜于制造永磁體適宜于制造永磁體HB矩磁資料矩磁資料磁滯回線接近于矩形，磁滯回線接近于矩形，剩余磁感應強度剩余磁感應強度Br接接近于飽和磁感應強度近于飽和磁感應強度Bs。適宜于制造記錄磁帶適宜于制造記錄磁帶及計算機的記憶元件。及計算機的記憶元件。2. 2. 磁疇磁疇 根據現代實際，鐵磁質相鄰原子的電子之間存在很強根據現代實際，鐵磁質相鄰原子的電子之間存在很強的的“交換耦協(xié)作用，使得在無外磁場作用時，電子交換耦協(xié)作用，使得在無外磁場作用時，電子自旋磁矩能在小區(qū)域內自發(fā)地平行陳列，構成自發(fā)磁自旋磁矩能在小區(qū)域內自發(fā)地平行陳列，構成自發(fā)磁化到達飽和形狀的微小區(qū)域。這些區(qū)域稱為化到達飽和形狀的微

50、小區(qū)域。這些區(qū)域稱為“磁疇磁疇2. 2. 磁疇磁疇 磁疇大小：磁疇大?。?810m1010每個磁疇所含分子數：每個磁疇所含分子數： 21171010用磁疇實際可以解釋鐵磁質的磁化過程、磁滯景用磁疇實際可以解釋鐵磁質的磁化過程、磁滯景象、磁滯損耗以及居里點。象、磁滯損耗以及居里點。鐵磁質在外磁場中的磁化過程主要為疇壁鐵磁質在外磁場中的磁化過程主要為疇壁的挪動和磁疇內磁矩的轉向。的挪動和磁疇內磁矩的轉向。 自發(fā)磁化方向逐漸轉向外磁場方向磁疇轉向，自發(fā)磁化方向逐漸轉向外磁場方向磁疇轉向，直到一切磁疇都沿外磁場方向整齊陳列時，鐵磁直到一切磁疇都沿外磁場方向整齊陳列時，鐵磁質就到達磁飽和形狀。質就到達磁

51、飽和形狀。 鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化

52、過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H鐵磁質單晶體磁化過程H7-8-4 7-8-4 磁路與計算磁路與計算* *當磁場中存在磁導率極高的資料如鐵磁質，當磁場中存在磁導率極高的資料如鐵磁質，將顯著地影響并改動磁場的分布，求解這類問將顯著地影響并改動磁場的分布，求解這類問題普通是比較復雜的，但在工程運用時，經常題普通是比較復雜的，但在工程運用時，經常可以作近似的處置，把磁場簡化為磁路來處置?？梢宰鹘频奶幹?，把磁場簡化為磁路來處置。本節(jié)引見磁路的概念和磁路定律，并加以討論