大學(xué)物理第九章磁場(chǎng)

大學(xué)物理第九章磁場(chǎng)目錄磁場(chǎng)基本概念與性質(zhì)恒定電流產(chǎn)生磁場(chǎng)磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)介與麥克斯韋方程組磁場(chǎng)基本概念與性質(zhì)01磁場(chǎng)定義及描述方法磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的方法主要有兩種：一種是通過(guò)磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向；另一種是通過(guò)磁力線來(lái)形象地表示磁場(chǎng)的分布和方向。0102磁感應(yīng)強(qiáng)度與方向在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向定義為小磁針靜止時(shí)N極所指的方向，即磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，用符號(hào)B表示，單位為特斯拉（T）。磁力線是描述磁場(chǎng)分布和方向的曲線，其切線方向表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)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(chǎng)的強(qiáng)弱。磁力線及其特點(diǎn)在磁場(chǎng)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(chǎng)中會(huì)被強(qiáng)烈吸引，具有較大的磁矩；順磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中會(huì)被輕微吸引，具有較小的磁矩；抗磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中會(huì)被排斥，具有負(fù)的磁矩。物質(zhì)在磁場(chǎng)中的性質(zhì)與其內(nèi)部電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)有關(guān)，這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩與外加磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致物質(zhì)表現(xiàn)出不同的磁性。磁場(chǎng)中物質(zhì)性質(zhì)恒定電流產(chǎn)生磁場(chǎng)02奧斯特實(shí)驗(yàn)首次揭示了電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)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(chǎng)與電流之間的關(guān)系，即磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過(guò)該路徑所包圍面積的電流的總和。該定理為計(jì)算恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供了重要方法。奧斯特實(shí)驗(yàn)與安培環(huán)路定理長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)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(chǎng)方向。距離長(zhǎng)直導(dǎo)線r處的磁場(chǎng)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(zhǎng)直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)分布磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)方向磁場(chǎng)方向圓形載流導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)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(chǎng)方向。磁場(chǎng)強(qiáng)度在圓形載流導(dǎo)線的軸線上，距離圓心r處的磁場(chǎng)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(chǎng)分布螺線管內(nèi)部和外部磁場(chǎng)特點(diǎn)螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)近似于均勻磁場(chǎng)，其方向與螺線管的軸線平行。當(dāng)螺線管通以恒定電流時(shí)，內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度B與電流I、螺線管匝數(shù)N和長(zhǎng)度L有關(guān)，具體表達(dá)式為B=μ0NI/L。螺線管外部磁場(chǎng)螺線管外部的磁場(chǎng)分布與長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度較大；而在遠(yuǎn)離軸線處，磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速減小。磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)方向的夾角。洛倫茲力公式根據(jù)左手定則，伸開(kāi)左手，使拇指與其余四個(gè)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(dòng)方向），這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向（或運(yùn)動(dòng)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(dòng)當(dāng)帶電粒子以速度$v$垂直于磁感線射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，洛倫茲力提供向心力，粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。螺旋運(yùn)動(dòng)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(chǎng)時(shí)，粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做螺旋運(yùn)動(dòng)。帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)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(cè)量磁場(chǎng)、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?gòu)?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(gè)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(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，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(shí)，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部相鄰磁疇的磁矩會(huì)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(chǎng)逐漸增強(qiáng)時(shí)，鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)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(chǎng)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(shí)鐵磁物質(zhì)被完全磁化。飽和磁化現(xiàn)象當(dāng)外加磁場(chǎng)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(chǎng)，這個(gè)反向磁場(chǎng)稱為矯頑力。剩磁和矯頑力鐵磁物質(zhì)在外加磁場(chǎng)中行為當(dāng)鐵磁物質(zhì)被加熱到某一溫度以上時(shí)，其磁性會(huì)突然消失，這種現(xiàn)象稱為退磁現(xiàn)象。鐵磁物質(zhì)開(kāi)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(chǎng)中或在恒定的磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與穿過(guò)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(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)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(jì)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(jì)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(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，它所產(chǎn)生的磁通量也會(huì)發(fā)生變化，從而在線圈自身中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(gè)相鄰的線圈，當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，它所產(chǎn)生的磁通量會(huì)穿過(guò)另一個(gè)線圈，從而在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。互感系數(shù)的定義表示兩個(gè)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(jì)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?；ジ鞋F(xiàn)象的定義電磁波簡(jiǎn)介與麥克斯韋方程組06產(chǎn)生條件變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)振動(dòng)方向與傳播方向垂直；遵守疊加原理，多個(gè)電磁波在同一空間傳播時(shí)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(gè)基本方程，分別描述電荷如何產(chǎn)生電場(chǎng)（高斯定律）、磁單極子不存在（高斯磁定律）、電流和時(shí)變電場(chǎng)怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)（麥克斯韋-安培定律）、以及時(shí)變磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)（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(wú)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