大學(xué)物理第九章磁場

大學(xué)物理第九章磁場目錄磁場基本概念與性質(zhì)恒定電流產(chǎn)生磁場磁場對運(yùn)動電荷作用鐵磁物質(zhì)與磁化現(xiàn)象電磁感應(yīng)與自感互感現(xiàn)象電磁波簡介與麥克斯韋方程組磁場基本概念與性質(zhì)01磁場定義及描述方法磁場是由運(yùn)動電荷或電流產(chǎn)生的特殊物質(zhì)形態(tài)，存在于磁體或通電螺線管等周圍空間中。描述磁場的方法主要有兩種：一種是通過磁感應(yīng)強(qiáng)度來描述磁場的強(qiáng)弱和方向；另一種是通過磁力線來形象地表示磁場的分布和方向。0102磁感應(yīng)強(qiáng)度與方向在國際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向定義為小磁針靜止時N極所指的方向，即磁場中某點(diǎn)的磁場方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，用符號B表示，單位為特斯拉（T）。磁力線是描述磁場分布和方向的曲線，其切線方向表示該點(diǎn)的磁場方向。磁力線的特點(diǎn)包括：不相交、不中斷、不閉合（在磁體外部），以及磁力線的疏密程度表示磁場的強(qiáng)弱。磁力線及其特點(diǎn)在磁場中，不同物質(zhì)具有不同的磁性表現(xiàn)，可分為鐵磁性、順磁性、抗磁性等。鐵磁性物質(zhì)在磁場中會被強(qiáng)烈吸引，具有較大的磁矩；順磁性物質(zhì)在磁場中會被輕微吸引，具有較小的磁矩；抗磁性物質(zhì)在磁場中會被排斥，具有負(fù)的磁矩。物質(zhì)在磁場中的性質(zhì)與其內(nèi)部電子的自旋和軌道運(yùn)動有關(guān)，這些運(yùn)動產(chǎn)生的磁矩與外加磁場相互作用，導(dǎo)致物質(zhì)表現(xiàn)出不同的磁性。磁場中物質(zhì)性質(zhì)恒定電流產(chǎn)生磁場02奧斯特實(shí)驗(yàn)首次揭示了電流能夠產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象，為電磁學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。安培環(huán)路定理描述了磁場與電流之間的關(guān)系，即磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該路徑所包圍面積的電流的總和。該定理為計算恒定電流產(chǎn)生的磁場提供了重要方法。奧斯特實(shí)驗(yàn)與安培環(huán)路定理長直導(dǎo)線周圍的磁場方向遵循右手螺旋定則，即右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，四指彎曲方向即為磁場方向。距離長直導(dǎo)線r處的磁場強(qiáng)度B與電流I成正比，與距離r成反比，即B=μ0I/2πr（μ0為真空磁導(dǎo)率）。長直導(dǎo)線周圍磁場分布磁場強(qiáng)度磁場方向磁場方向圓形載流導(dǎo)線周圍的磁場方向同樣遵循右手螺旋定則，即右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，四指彎曲方向即為磁場方向。磁場強(qiáng)度在圓形載流導(dǎo)線的軸線上，距離圓心r處的磁場強(qiáng)度B與電流I和導(dǎo)線半徑R有關(guān)，具體表達(dá)式為B=μ0IR/2(R^2+r^2)^(3/2)。圓形載流導(dǎo)線周圍磁場分布螺線管內(nèi)部和外部磁場特點(diǎn)螺線管內(nèi)部磁場螺線管內(nèi)部的磁場近似于均勻磁場，其方向與螺線管的軸線平行。當(dāng)螺線管通以恒定電流時，內(nèi)部磁場強(qiáng)度B與電流I、螺線管匝數(shù)N和長度L有關(guān)，具體表達(dá)式為B=μ0NI/L。螺線管外部磁場螺線管外部的磁場分布與長直導(dǎo)線相似，即隨著距離的增加而逐漸減弱。在螺線管外部靠近軸線處，磁場強(qiáng)度較大；而在遠(yuǎn)離軸線處，磁場強(qiáng)度迅速減小。磁場對運(yùn)動電荷作用03$F=qvBsintheta$，其中$q$是電荷量，$v$是電荷速度，$B$是磁感應(yīng)強(qiáng)度，$theta$是電荷速度與磁場方向的夾角。洛倫茲力公式根據(jù)左手定則，伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向（或正電荷運(yùn)動方向），這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向（或運(yùn)動電荷所受洛倫茲力的方向）。方向判斷洛倫茲力公式及方向判斷勻速圓周運(yùn)動當(dāng)帶電粒子以速度$v$垂直于磁感線射入勻強(qiáng)磁場時，洛倫茲力提供向心力，粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動。螺旋運(yùn)動當(dāng)帶電粒子以速度$v$與磁感線成一定角度射入勻強(qiáng)磁場時，粒子在勻強(qiáng)磁場中做螺旋運(yùn)動。帶電粒子在均勻磁場中運(yùn)動規(guī)律霍爾效應(yīng)原理及應(yīng)用當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)原理利用霍爾效應(yīng)可以測量磁場、電流、電子濃度等物理量。在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的霍爾元件，是以半導(dǎo)體為材料而制成的磁電轉(zhuǎn)換器件?；魻栃?yīng)應(yīng)用鐵磁物質(zhì)與磁化現(xiàn)象04鐵磁物質(zhì)主要分為鐵、鈷、鎳及其合金等。鐵磁物質(zhì)的分類具有高的磁導(dǎo)率，能夠被強(qiáng)烈磁化并保留磁性。鐵磁物質(zhì)的特點(diǎn)鐵磁物質(zhì)分類及特點(diǎn)VS鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在許多小區(qū)域，每個小區(qū)域內(nèi)的原子磁矩自發(fā)平行排列，形成磁疇。自發(fā)磁化現(xiàn)象在無外加磁場時，由于熱運(yùn)動，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部各磁疇的磁矩方向隨機(jī)分布，整體不顯磁性。當(dāng)溫度降低至某一特定值以下時，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部相鄰磁疇的磁矩會自發(fā)地轉(zhuǎn)向同一方向，形成自發(fā)磁化現(xiàn)象。磁疇結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu)和自發(fā)磁化現(xiàn)象010203當(dāng)外加磁場逐漸增強(qiáng)時，鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H的增加而迅速上升，形成初始磁化曲線。初始磁化曲線隨著外加磁場繼續(xù)增強(qiáng)，鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B逐漸趨于飽和，此時鐵磁物質(zhì)被完全磁化。飽和磁化現(xiàn)象當(dāng)外加磁場消失后，鐵磁物質(zhì)仍保留一定的磁性，稱為剩磁。要使鐵磁物質(zhì)完全退磁，需要施加反向磁場，這個反向磁場稱為矯頑力。剩磁和矯頑力鐵磁物質(zhì)在外加磁場中行為當(dāng)鐵磁物質(zhì)被加熱到某一溫度以上時，其磁性會突然消失，這種現(xiàn)象稱為退磁現(xiàn)象。鐵磁物質(zhì)開始失去自發(fā)磁性的溫度稱為居里溫度。不同種類的鐵磁物質(zhì)具有不同的居里溫度。例如，鐵的居里溫度為770°C左右。退磁現(xiàn)象居里溫度退磁現(xiàn)象和居里溫度電磁感應(yīng)與自感互感現(xiàn)象05法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容當(dāng)導(dǎo)體回路在變化的磁場中或在恒定的磁場中作相對運(yùn)動時，導(dǎo)體回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與穿過回路的磁通量的變化率成正比。法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用用于計算感應(yīng)電動勢的大小，從而分析電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第電磁感應(yīng)定律楞次定律的內(nèi)容感應(yīng)電流的方向總是要使感應(yīng)電流的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。楞次定律的應(yīng)用判斷感應(yīng)電流的方向，分析電磁感應(yīng)現(xiàn)象。楞次定律與法拉第電磁感應(yīng)定律的關(guān)系兩者都是描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律，但側(cè)重點(diǎn)不同。法拉第電磁感應(yīng)定律側(cè)重于定量計算，而楞次定律側(cè)重于定性分析。楞次定律及其應(yīng)用自感系數(shù)的定義表示線圈產(chǎn)生自感現(xiàn)象能力大小的物理量，用L表示，單位是亨利（H）。自感系數(shù)的計算L=Φ/I，其中Φ為線圈中的磁通量，I為線圈中的電流。自感現(xiàn)象的定義當(dāng)一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所產(chǎn)生的磁通量也會發(fā)生變化，從而在線圈自身中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。自感現(xiàn)象和自感系數(shù)互感現(xiàn)象和互感系數(shù)兩個相鄰的線圈，當(dāng)一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所產(chǎn)生的磁通量會穿過另一個線圈，從而在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象?；ジ邢禂?shù)的定義表示兩個線圈之間互感現(xiàn)象能力大小的物理量，用M表示，單位是亨利（H）?；ジ邢禂?shù)的計算M=(dΦ2)/(dI1)，其中Φ2為線圈2中的磁通量，I1為線圈1中的電流。互感現(xiàn)象的定義電磁波簡介與麥克斯韋方程組06產(chǎn)生條件變化的電場和磁場相互激發(fā)，形成電磁波。要點(diǎn)一要點(diǎn)二傳播特性電磁波在真空中以光速傳播，不需要介質(zhì)支持；具有橫波性質(zhì)，電場和磁場振動方向與傳播方向垂直；遵守疊加原理，多個電磁波在同一空間傳播時互不干擾。電磁波產(chǎn)生條件及傳播特性內(nèi)容麥克斯韋方程組包括四個基本方程，分別描述電荷如何產(chǎn)生電場（高斯定律）、磁單極子不存在（高斯磁定律）、電流和時變電場怎樣產(chǎn)生磁場（麥克斯韋-安培定律）、以及時變磁場如何產(chǎn)生電場（法拉第感應(yīng)定律）。意義麥克斯韋方程組統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)的基本規(guī)律，揭示了電磁波的存在和傳播規(guī)律，為電磁理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組內(nèi)容和意義通信領(lǐng)域利用無線電波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，如手機(jī)、廣播、電視等。電磁波譜按照頻率從