穩(wěn)恒磁場(chǎng)B(完全版1)

一.勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的磁場(chǎng)

I=qnds

設(shè)電流元Idl的橫截面積為ds，導(dǎo)體單位體積內(nèi)有n個(gè)帶電粒子,每個(gè)粒子帶有電量q，以速度沿Idl的方向作勻速運(yùn)動(dòng)，由10.7例題可知

Idl=qndsdl=q.ndsdl

一個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)=rPIdldsI§11.5勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的磁場(chǎng)在電流元Idl內(nèi)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子數(shù)為dN=ndsdl1

一個(gè)電荷q在磁場(chǎng)B中以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，該電荷所受的磁場(chǎng)力(也稱為洛侖茲力)為洛侖茲力的大小

f=qBsin

式中:為電荷的運(yùn)動(dòng)方向與所在點(diǎn)磁場(chǎng)B的方向之間的夾角。洛侖茲力f的方向垂直于和B組成的平面。若q>0,則f的方向與B的方向相同;

若q<0,則f的方向與B的方向相反。+qfB§11.6磁力一.洛侖茲力用右手.2結(jié)論:由于洛侖茲力的方向總是與電荷的運(yùn)動(dòng)方向垂直,所以洛侖茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不作功。1.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

因?yàn)槁鍋銎澚=qBsin=0，所以帶電粒子在磁場(chǎng)中作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

帶電粒子作勻速率圓周運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期分別為

BB^^B/3螺距半徑周期B=cos^=sin

這兩種運(yùn)動(dòng)疊加的結(jié)果是粒子以B的方向?yàn)檩S線作等螺距螺旋線運(yùn)動(dòng)(見圖)。4磁聚焦示意圖P點(diǎn)電子束的各電子速度大小相等，但方向各異；一般來說，電子速度與磁場(chǎng)的夾角很小。螺距P點(diǎn)出發(fā)的各電子經(jīng)過一個(gè)周期T后，都又會(huì)重聚于同一點(diǎn)P′.這就是磁聚焦的基本原理。它已廣泛地應(yīng)用于電真空器件中,特別是電子顯微鏡中。52.霍耳效應(yīng)1879年,霍耳(A.H.Hall)發(fā)現(xiàn)下述現(xiàn)象:在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中放一板狀金屬導(dǎo)體,使金屬板面與B的方向垂直,在金屬板中沿著與磁場(chǎng)B垂直的方向通以電流I,則在金屬板上下兩個(gè)表面之間就會(huì)出現(xiàn)橫向電勢(shì)差VH(見圖)。這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng),VH稱為霍耳電勢(shì)差。

bIBa上下兩個(gè)表面之間的電場(chǎng)用EH表示。產(chǎn)生霍耳效應(yīng)的原因：金屬中的自由電子受洛侖茲力的作用。VHfm6

達(dá)到穩(wěn)恒狀態(tài)時(shí)，-eEH=-eB即EH=B

VH=EH.a=aB

I=ne式中b是導(dǎo)體在磁場(chǎng)方向的厚度?；舳?yīng)不只在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生,在半導(dǎo)體和導(dǎo)電流體(如等離子體)中也會(huì)產(chǎn)生。

得bIBaVHfmab7

金屬導(dǎo)體中形成電流的載流子是帶負(fù)電的自由電子；在N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子仍是帶負(fù)電的電子，但在P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子卻是帶正電的空穴。

通過對(duì)霍耳電勢(shì)差的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,可判定半導(dǎo)體的類型,還可以用下式計(jì)算出載流子的濃度。用霍耳效應(yīng)來測(cè)磁場(chǎng)，是現(xiàn)在一個(gè)常用的比較精確的方法。8

例題半導(dǎo)體的大小a×b×c=0.3×0.5×0.8cm3,

電流I=1mA(方向沿x軸),磁場(chǎng)B=3000Gs(方向沿z軸)，如圖所示；測(cè)得A、B兩面的電勢(shì)差uA-uB=5mv,問:(1)這是P型還是N型半導(dǎo)體？(2)載流子濃度n=?

解(1)由uA>uB,

(2)由公式代入I=10-3A,B=0.3T,b=0.3×10-2m,VH=5×10-3v,得：n=1.25×1020個(gè)/m3。IabcxyzBAB判定是N型。9大?。篸F=IdlBsin

即：dF的方向垂直于Idl和B組成的平面，指向由右手螺旋確定。IdlBF實(shí)驗(yàn)表明:電流元Idl

在磁場(chǎng)B中受的作用力(安培力)為方向：二、安培力10

對(duì)于放置在均勻磁場(chǎng)中長(zhǎng)度為l的直載流導(dǎo)線,其所受的安培力為其大?。篎=IlBsin=Il×B方向：對(duì)載流導(dǎo)體，可分為若干電流元積分：IBab=ab11

例題在均勻磁場(chǎng)B中有一段彎曲的導(dǎo)線ab,通有電流I,求此段導(dǎo)線受的磁場(chǎng)力。

解彎曲導(dǎo)線ab可分為若干電流元積分：

可見,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,彎曲導(dǎo)線受的磁場(chǎng)力等于從起點(diǎn)到終點(diǎn)的直導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力。力的大?。篎=IlBsin

力的方向:垂直紙面向外。IBabIdl直載流導(dǎo)線受的安培力:l12又如，勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)線：圓弧受的力：力的方向垂直紙面向外。RBaboIoRIabB直載流導(dǎo)線受的安培力:圓弧受的力：13

例題如圖所示，無限長(zhǎng)直電流I1和線段AB(AB=L,通有電流I2)在同一平面內(nèi),求AB受的磁力及對(duì)A點(diǎn)的磁力矩。

解由于每個(gè)電流元受力方向相同(如圖示)，由公式dF=IdlBsin得M=I2I1dABdFxdx14

例題將半徑R的圓電流I1置于無限長(zhǎng)直電流I2的磁場(chǎng)中,長(zhǎng)直導(dǎo)線與圓電流直徑重合且相互絕緣,求圓電流I1所受的磁力。

解在圓電流上取電流元I1dl,

由對(duì)稱性可知，圓環(huán)受的合力沿x軸的正方向,而大小為F=xyoI1I2dFxRyI1dldFI1dl此電流元受磁力的方向沿半徑指向圓外,其大小為15

一個(gè)剛性矩形平面載流線圈處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，求它受的力和力矩。f1f2f2′由F=IlBsin

，

可知：ab:f1=bc：f2=Il2B,方向垂直紙面向外;da：f2′=Il2B,方向垂直紙面向內(nèi)?？梢?，ab和cd邊受的力大小相等而方向相反,所以合力為零,也不產(chǎn)生力矩。cd：f1′=Il1Bsin,方向向下。顯然，bc和da邊受的合力也為零。但這對(duì)力偶對(duì)中心軸要產(chǎn)生力矩。f1′Il1Bsin,方向向上；abcdIl1l2B三.勻強(qiáng)磁場(chǎng)作用于載流線圈的力矩16M=f22.

但pm=Il1l2，所以磁場(chǎng)對(duì)線圈力矩的大小可表示為M=pmBsin

用矢量式來表達(dá)，就是M=pm×B力矩M的方向：沿中心軸線向上。上式對(duì)任意形狀的平面線圈也都適用。Mf2f2′abcdIl1l2Bl1Ba(d)b(c)f2f217M=pm×B勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的磁力矩M什么時(shí)候載流線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)？M=0當(dāng)磁矩

的方向和磁場(chǎng)

的方向一致時(shí)，載流線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)載流線圈平面和磁場(chǎng)

的方向垂直時(shí)，載流線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)。18

例題半徑為R的圓盤,帶有正電荷,其電荷面密度=kr,k是常數(shù),r為圓盤上一點(diǎn)到圓心的距離,圓盤放在一均勻磁場(chǎng)B中,其法線方向與B垂直。當(dāng)圓盤以角速度繞過盤心o點(diǎn),且垂直于圓盤平面的軸作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),求圓盤所受磁力矩的大小和方向。

解可將圓盤分為無限多個(gè)圓環(huán)積分。

由M=pmBsin，圓盤所受的磁力矩為r2BM=由pm×B可知，M的方向垂直B向上。RBordrdI19

解(1)由M=pmBsin，得M=IabJ=M/β=2.16×10-3(kg.m2)(2)磁力所作的功為=IabBsin60oBsin(90o-)

例題一矩形線圈a×b=10×5cm2，I=2A,可繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。當(dāng)加上B=0.5i(T)的均勻外磁場(chǎng)(B與線圈平面成=30o角)時(shí)，線圈的角加速度為β=2rad/s2，求:(1)線圈對(duì)oy軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=?(2)線圈平面由初始位置轉(zhuǎn)到與B垂直時(shí)磁力所作的功。yzoBxabI20一、磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)在考慮物質(zhì)與磁場(chǎng)的相互影響時(shí),我們把所有的物質(zhì)都稱為磁介質(zhì)。1、分子電流和分子磁矩根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論,分子中的任何一個(gè)電子繞核運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)）,同時(shí)又自旋（自轉(zhuǎn)）。電子的這兩種運(yùn)動(dòng)，可視為等效電流，對(duì)外產(chǎn)生磁效應(yīng)。整個(gè)分子中所有電子運(yùn)動(dòng)對(duì)外產(chǎn)生的總磁效應(yīng)可以等效為一個(gè)圓電流的磁效應(yīng)。這個(gè)等效的圓電流稱為分子電流。以I記之。§11.7磁介質(zhì)pmI21分子電流所具有的磁矩稱為分子磁矩，用記之。pmpmI方向：與電流成右螺旋關(guān)系。NS2.磁介質(zhì)的分類：無外加磁場(chǎng)時(shí)，磁介質(zhì)，，這種磁介質(zhì)稱為抗磁質(zhì)。無外加磁場(chǎng)時(shí)，磁介質(zhì)，，這種磁介質(zhì)稱為順磁質(zhì)。還有一種磁介質(zhì)：鐵磁質(zhì)。22無外加磁場(chǎng)時(shí),由于分子的熱運(yùn)動(dòng),pm無序取向，，物質(zhì)不顯磁性。pm當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，每個(gè)分子圓電流受磁力矩的作用，按外磁場(chǎng)方向取向，，物質(zhì)顯示磁性。用分子電流對(duì)物質(zhì)磁性進(jìn)行了定性地說明。23pmI二、磁介質(zhì)的磁化1.外磁場(chǎng)使磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁矩Bo形成，產(chǎn)生。無，電子受作用：Bo當(dāng)有時(shí)，并設(shè)電子增受，在半徑不變情況下：附加磁矩，由引起。pmI’24pmI由于外磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電子有洛倫茲力。這樣在外場(chǎng)的作用下，分子電流產(chǎn)生附加磁矩。附加磁矩的磁場(chǎng)方向和外磁場(chǎng)

的方向相反?。?！附加磁矩的存在使外場(chǎng)削弱。總結(jié)：如果外磁場(chǎng)與軌道平面不垂直時(shí)，電子除公轉(zhuǎn)和自旋外，電子還會(huì)發(fā)生繞方向的進(jìn)動(dòng)，這種進(jìn)動(dòng)也會(huì)有附加磁矩的方向和外磁場(chǎng)的方向相反?。。〗Y(jié)論是在的情況得出的。說明：252.順磁質(zhì)的磁化將順磁質(zhì)放在外磁場(chǎng)中：一方面，各分子磁矩按外場(chǎng)取向，，顯示磁性，且與同向。效果：增強(qiáng)磁性，加強(qiáng)一方面，每個(gè)分子都產(chǎn)生一個(gè)附加磁矩，與反向。效果：減弱磁性，減弱但是：分子磁矩按取向?qū)е碌拇判缘脑鰪?qiáng)導(dǎo)致的磁性的減弱。由順磁質(zhì)中的磁場(chǎng)順磁質(zhì)在的作用下總的顯示出磁性，且與同向26稱為磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。b對(duì)順磁質(zhì)，順磁質(zhì)中的磁場(chǎng)3.抗磁質(zhì)的磁化將抗磁質(zhì)放在外磁場(chǎng)中：一方面，分子的固有磁矩，。另一方面，每個(gè)分子都產(chǎn)生一個(gè)附加磁矩，與反向?？勾刨|(zhì)顯示磁性，且與反向，減弱。效果：抗磁質(zhì)中的磁場(chǎng)a分子磁矩按外場(chǎng)取向，是順磁質(zhì)磁化的主要原因。以上分析知：27a磁場(chǎng)作用使磁介質(zhì)產(chǎn)生是抗磁質(zhì)磁化的唯一原因。,知：b抗磁質(zhì)：說明：無論順磁質(zhì)還是抗磁質(zhì)被磁化后對(duì)外磁場(chǎng)的影響很小，順磁質(zhì)的略大于1，抗磁質(zhì)的略小于1。所以順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)統(tǒng)稱弱磁質(zhì)。1.磁化強(qiáng)度—單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和三、描寫磁介質(zhì)磁化程度的物理量——磁化強(qiáng)度28對(duì)順磁質(zhì)：所以：與同向?qū)勾刨|(zhì)：與反向特例：磁介質(zhì)均勻磁化，29它的分子的固有磁矩要沿著磁場(chǎng)方向取向,如圖所示Bopm設(shè)：均勻介質(zhì)在均勻磁場(chǎng)中被均勻磁化（順磁質(zhì)）2.磁化電流結(jié)果：在介質(zhì)表面出現(xiàn)磁化電流。將整個(gè)磁化電流記為30

磁化電流是磁介質(zhì)磁化而在介質(zhì)表面出現(xiàn)的電流，一段段接合而成的,不同于金屬中自由電子定向運(yùn)動(dòng)形成的傳導(dǎo)電流,所以也叫束縛電流。磁化電流密度大小：磁介質(zhì)的平行于的表面上單位長(zhǎng)度的磁化電流。方向：沿著磁化電流方向SMLS31由于磁化電流是磁介質(zhì)磁化的結(jié)果,所以磁化電流和磁化強(qiáng)度之間一定存在著某種關(guān)系。為簡(jiǎn)單起見,我們用長(zhǎng)直螺線管中的圓柱體順磁介質(zhì)來說明它們的關(guān)系。

設(shè)圓柱體順磁介質(zhì)長(zhǎng)L,橫截面積為S,磁化電流面密度為,則此磁介質(zhì)中的總磁矩為3.磁化強(qiáng)度和磁化電流的關(guān)系|pm|=磁介質(zhì)中分子磁矩的矢量和MLS32

設(shè)圓柱體順磁介質(zhì)長(zhǎng)L,橫截面積為S,磁化電流面密度(即沿軸線單位長(zhǎng)度上的磁化電流強(qiáng)度)為J,則此磁介質(zhì)中的總磁矩為=磁介質(zhì)中分子磁矩的矢量和J’LS=|pmi|即磁化電流面密度J’等于磁化強(qiáng)度M的大小。按磁化強(qiáng)度的定義，有真空的磁化強(qiáng)度M為零.MLS33

一般情況下,J=M可寫成下面的矢量式:

取如圖所示的矩形閉合路徑l,則磁化強(qiáng)度的環(huán)流為

可見，磁化強(qiáng)度的環(huán)流(磁化強(qiáng)度沿閉合路徑l的線積分)等于該閉合路徑l所包圍的磁化電流的代數(shù)和。閉合路徑l所包圍的磁化電流的代數(shù)和Ml123434式中,Io內(nèi)和I′內(nèi)分別是閉合路徑l所包圍的傳導(dǎo)電流和磁化電流的代數(shù)和。§11.7磁介質(zhì)(二)

一.磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)B=Bo+B=rBo二.磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理傳導(dǎo)電流磁化電流35我們定義：磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量由于:這就是磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理。36

即:磁場(chǎng)強(qiáng)度H的環(huán)流(沿任一閉合路徑l的線積分)等于該閉合路徑l所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。

實(shí)驗(yàn)表明,在各向同性磁介質(zhì)中：式中,m叫磁介質(zhì)的磁化率。M=mHB=orH=H在國(guó)際單位制中,磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為安/米(A/m)。

令1+m=r相對(duì)磁導(dǎo)率,or=磁導(dǎo)率,則B=o(H+M)=o(1+m)H因,于是oB-M37B=orH=H小結(jié)：用途：知道傳導(dǎo)電流的分布，可以求磁介質(zhì)中的。利用，求出磁介質(zhì)中的分布。這就是我們建立磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理的目的所在。三、舉例38

例題一根長(zhǎng)直同軸線由半徑a的長(zhǎng)導(dǎo)線和套在它外面的內(nèi)半徑為b、外半徑為c的同軸導(dǎo)體圓筒組成。中間充滿磁導(dǎo)率為的各向同性均勻非鐵磁絕緣材料,如圖所示。傳導(dǎo)電流I沿導(dǎo)線向上流去,由圓筒向下流回,設(shè)電流在截面上都是均勻分布的。求同軸線內(nèi)外的磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布?！ぁぁcaoIIIIabc金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。39解由安培環(huán)路定理:及B=Hr<a:H=

2rH·2r···bcaoIIr40B=02rb<r<c:H=

···bcaoIIrIr0=041

一.高r值B=orH=rBo鑄鋼：r=5002200，硅鋼：r=7000坡莫合金：r=105

因此,很小的電流就能在鐵磁質(zhì)中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。二.非線性

相對(duì)磁導(dǎo)率r要隨磁場(chǎng)的強(qiáng)弱發(fā)生變化，因此B和H的關(guān)系是非線性的。

作為信號(hào)傳輸器件時(shí)，如變壓器鐵芯，要盡量工作在線性段，以減小信號(hào)的失真。BH§11.