載流導體產(chǎn)生磁場PPT學習教案

1、會計學1xyOAILB此段載流導線受的磁力。此段載流導線受的磁力。在電流上任取電流元在電流上任取電流元lIdlIBBlIFdddlIdFdsinddlIBFxyIBdxIBlIBFydcosdd0d00yIBFxIBLxIBFLy0d例例在均勻磁場中放置一任意形狀的導線，電流強度為在均勻磁場中放置一任意形狀的導線，電流強度為I I求求解解相當于載流直導線相當于載流直導線F 在勻強磁場中受的力，方向沿在勻強磁場中受的力，方向沿 y y 向。向。OA第1頁/共30頁例例 求兩平行無限長直導線之間的相互作用力？求兩平行無限長直導線之間的相互作用力？a2I1I1B12f解解 aIB2101電流電流 2

2、 處于電流處于電流 1 的磁場中的磁場中1212BIf同時，電流同時，電流 1 處于電流處于電流 2 的磁場中，的磁場中，aIIBIf2210212121faII2210電流電流 2 中單位長度上受的安培力中單位長度上受的安培力電流電流 1 中單位長度上受的安培力中單位長度上受的安培力第2頁/共30頁(1) 定義定義: : 真空中通有同值電流的兩無限長平行直導線，若真空中通有同值電流的兩無限長平行直導線，若 相距相距 1 1 米米，單位長度受力，單位長度受力(2) 電流之間的磁力符合牛頓第三定律：電流之間的磁力符合牛頓第三定律：N10271221ff則電流為則電流為1 1 安培安培。(3) 分

3、析兩電流元之間的相互作用力分析兩電流元之間的相互作用力22dlI11dlI12r312121101d4drrlIB312121122012212rrlIlI4BlIfddddd同理同理321212211021121dd4dddrrlIlIBlIf 兩電流元之間的相互作用力，一般不遵守牛頓第三定律兩電流元之間的相互作用力，一般不遵守牛頓第三定律討論討論21f12f第3頁/共30頁(4) 分析兩根帶電長直線沿長度方向運動時，帶電線之間的分析兩根帶電長直線沿長度方向運動時，帶電線之間的作用力。作用力。1v2v12a 兩帶電線上的電流為兩帶電線上的電流為111vI222vIaIIf2210a2f0m2

4、211vv 兩帶電線單位長度上的電荷之間的庫侖力兩帶電線單位長度上的電荷之間的庫侖力aEfe021212emff2100vv221cvv001c在一般情況下，磁場力遠小于電場力在一般情況下，磁場力遠小于電場力2102211022aavv第4頁/共30頁例例 求一載流導線框在無限長直導線磁場中的受力和運動趨勢求一載流導線框在無限長直導線磁場中的受力和運動趨勢解解 1Iaba2I1234xo121bBIf aIbI2102323bBIf aIbI4102方向向左方向向左方向向右方向向右aalBIf21222sindxIxIaad222102ln2210II24ff 整個線圈所受的合力：整個線圈所受

5、的合力：4321ffffF31ff 線圈向左做平動線圈向左做平動31ff1324第5頁/共30頁CDFABF二二. .磁場對平面載流線圈的作用磁場對平面載流線圈的作用B1l2lDAFBCFDCBAIsin1BIlFFBCDA（方向相反在同一直線上）（方向相反在同一直線上）2BIlFFABCD0iF（線圈無平動）（線圈無平動）對中心的力矩為對中心的力矩為sin2sin211lFlFMCDABsin21BIl l1. 在均勻磁場中的剛性矩形載流線圈在均勻磁場中的剛性矩形載流線圈n（方向相反方向相反不在一條直線上）不在一條直線上）nl lnSS21BpMmnISpm令令B+ +nA(B)D(C)第6

6、頁/共30頁2. 磁場力的功磁場力的功dsinddBISMAmIBSId)cosd(mmmmIIIAmm)(d1221討論討論(1) 線圈若有線圈若有N 匝線圈匝線圈BpNMm(2) M 作用下，磁通量增加作用下，磁通量增加0M0穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡負號表示力矩作正功時負號表示力矩作正功時 減小減小非穩(wěn)定平衡非穩(wěn)定平衡0M(3) 非均勻磁場中的平面電流環(huán)非均勻磁場中的平面電流環(huán)0iF線圈有平動和轉動線圈有平動和轉動0M第7頁/共30頁一一. .洛倫茲力公式洛倫茲力公式 實驗結果實驗結果qBvfsin,vBqf sinBqfv 安培力與洛倫茲力的關系安培力與洛倫茲力的關系ldIqsfBqNF vdd

7、Bqfm vBlIF dBlnsqdvBNqv安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加9.6 帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動v第8頁/共30頁(1) 洛倫茲力始終與電荷運動方向垂直，故洛倫茲力始終與電荷運動方向垂直，故討論討論對電荷不作功對電荷不作功f(2) 在一般情況下，空間中電場和磁場同時存在在一般情況下，空間中電場和磁場同時存在meffFBqEqvtp d/d二二. .帶電粒子在均勻磁場中的運動帶電粒子在均勻磁場中的運動 BvBfqRmBq22sinvvqBmRvqBmRT22vmqBf2 粒子回轉周期與頻率粒子回轉周期與頻率情況情況v第9頁/共

8、30頁 一般情況一般情況 B/vvhcos/vv sinvv帶電粒子作螺旋運動帶電粒子作螺旋運動qBmqBmRsinvvqBmThcos2/vv 磁聚焦原理磁聚焦原理 B粒子粒子源源A Avv /vv 很小時很小時qBmThvv2/接收接收器器 A A發(fā)散角不太大的帶電粒子束，經(jīng)過一個周期后，重新會聚發(fā)散角不太大的帶電粒子束，經(jīng)過一個周期后，重新會聚v第10頁/共30頁 減少粒子的縱向前進速減少粒子的縱向前進速度，使粒子運動發(fā)生度，使粒子運動發(fā)生“反射反射” 磁約束原理磁約束原理 在非均勻磁場中，速度方向與磁場不同的帶電粒子，也要作螺旋運動，但半徑和螺距都將不斷發(fā)生變化在非均勻磁場中，速度方向

9、與磁場不同的帶電粒子，也要作螺旋運動，但半徑和螺距都將不斷發(fā)生變化BqBmqBmRsinvvf/ffe磁場增強，運動半徑減少磁場增強，運動半徑減少 強磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近強磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近 橫向磁約束橫向磁約束 縱向磁約束縱向磁約束fff/fv在非均勻磁場中，縱向運動受到抑制在非均勻磁場中，縱向運動受到抑制 磁鏡效應磁鏡效應磁鏡磁鏡第11頁/共30頁線圈線圈線圈線圈B高溫等離子體高溫等離子體 磁鏡效應的典型應用磁鏡效應的典型應用受控熱核聚變實驗研究受控熱核聚變實驗研究 能約束運動帶電粒能約束運動帶電粒子的磁場分布稱為磁鏡子的磁場分布稱為磁鏡約束約束 磁瓶磁瓶 地

10、球的磁約束效應地球的磁約束效應 天然磁瓶天然磁瓶三三. .霍爾效應霍爾效應18791879年年 霍爾發(fā)現(xiàn)在一個通有電流的導體板上，若垂直于板面施加一磁場，則板面兩側會出現(xiàn)微弱電勢差霍爾發(fā)現(xiàn)在一個通有電流的導體板上，若垂直于板面施加一磁場，則板面兩側會出現(xiàn)微弱電勢差( (霍爾效應霍爾效應)第12頁/共30頁Bqfm v橫向電場力橫向電場力: :洛倫茲力洛倫茲力: :0)(BqEqv當達到動態(tài)平衡時：當達到動態(tài)平衡時：實驗結果實驗結果dIBKUab受力分析受力分析dnqvlnqdIBUabnqK1BEhvlEuhabBlv(霍耳系數(shù)霍耳系數(shù))SnqIvvldIBabqmfEEEqfe(方向向下方向

11、向下)(方向向下方向向下)+第13頁/共30頁(2) 區(qū)分半導體材料類型區(qū)分半導體材料類型 霍爾系數(shù)的正負與載流子電荷性質有關霍爾系數(shù)的正負與載流子電荷性質有關B+abbauu ab+bauu 0K0KIIvqN 型半導體型半導體P 型半導體型半導體vq它是研究半導體材料性質的有效方法它是研究半導體材料性質的有效方法（濃度隨雜質、溫度等變化濃度隨雜質、溫度等變化）B討論討論(1) 通過測量霍爾系數(shù)可以確定導電體中載流子濃度通過測量霍爾系數(shù)可以確定導電體中載流子濃度第14頁/共30頁四四. 運動電荷的電磁場運動電荷的電磁場qvEB2004rrqBv2004rrqErEcEBvv2001高溫導高溫

12、導電氣體電氣體B沒有機械轉動部分造成的沒有機械轉動部分造成的能量損耗能量損耗可提高效率可提高效率特點：特點：磁場是電場的運動效應磁場是電場的運動效應(3) 磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電第15頁/共30頁一一. 磁介質及其分類磁介質及其分類1. 磁介質磁介質 任何實物都是任何實物都是磁介質磁介質0E0EEE電介質放入外場電介質放入外場0EE磁介質放入外場磁介質放入外場0BrBB0r 相對磁導率相對磁導率 反映磁介質對原場的影響程度反映磁介質對原場的影響程度 9.7 物質的磁性物質的磁性2. 磁介質的分類磁介質的分類順磁質順磁質抗磁質抗磁質1r減弱原場減弱原場0BB 1r增強原場增強原場0BB 如如 鋅、

13、銅、水銀、鉛等鋅、銅、水銀、鉛等如如 錳、鉻、鉑、氧等錳、鉻、鉑、氧等弱磁性物質弱磁性物質順磁質和抗磁質的相對磁導率都非常接近于順磁質和抗磁質的相對磁導率都非常接近于1。第16頁/共30頁鐵磁質鐵磁質)1010(421r通常不是常數(shù)通常不是常數(shù)具有顯著的增強原磁場的性質具有顯著的增強原磁場的性質強磁性物質強磁性物質二二. 磁化機理磁化機理原子中電子的軌道磁矩原子中電子的軌道磁矩1. 安培分子環(huán)流的概念和方法安培分子環(huán)流的概念和方法LmePl2電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩SmePs電子自旋磁矩與軌道磁矩有相同的數(shù)量級電子自旋磁矩與軌道磁矩有相同的數(shù)量級分子磁矩分子磁矩 所有電子磁矩的總和所有電子

14、磁矩的總和immiPP抗磁質抗磁質0mP無外場作用時，對外不顯磁性無外場作用時，對外不顯磁性順磁質順磁質0mP無外場作用時，由于熱運動，對外也不顯磁性無外場作用時，由于熱運動，對外也不顯磁性第17頁/共30頁0mP2. 磁介質的磁化磁介質的磁化evmPr0BffomP電子軌道半徑不變電子軌道半徑不變)(mPmP當外場方向與原子磁矩反方向時當外場方向與原子磁矩反方向時emPr0BfomPfmP)(mP當外場方向與原子磁矩方向相同時當外場方向與原子磁矩方向相同時第18頁/共30頁0B將順磁質放入外場將順磁質放入外場 分子環(huán)流在外場作用下，產(chǎn)生取向轉動，分子環(huán)流在外場作用下，產(chǎn)生取向轉動， 磁矩將轉

15、向外場方向磁矩將轉向外場方向 宏觀上產(chǎn)生附加磁場宏觀上產(chǎn)生附加磁場0B1B1B結論：結論：在外場作用下，電子產(chǎn)生附加的轉動，從而形成附加的在外場作用下，電子產(chǎn)生附加的轉動，從而形成附加的mP, 附加磁矩（也稱感應磁矩）總是與外場方向附加磁矩（也稱感應磁矩）總是與外場方向B0B反，即產(chǎn)生一個與外場反向的附加磁場反，即產(chǎn)生一個與外場反向的附加磁場相相 抗磁質磁化抗磁質磁化在外場作用下，每個分子中的所有電子都產(chǎn)生感應磁矩在外場作用下，每個分子中的所有電子都產(chǎn)生感應磁矩mPBB則磁介質產(chǎn)生附加磁場則磁介質產(chǎn)生附加磁場與外場方向相反與外場方向相反順磁質磁化順磁質磁化第19頁/共30頁在外場作用下，分子磁

16、矩要轉向，同時每個分子中的所有電子也都產(chǎn)生感應磁矩。在外場作用下，分子磁矩要轉向，同時每個分子中的所有電子也都產(chǎn)生感應磁矩。1BB21BBB則磁介質產(chǎn)生附加磁場則磁介質產(chǎn)生附加磁場1B與外場方向相同與外場方向相同三三. 有磁介質的磁高斯定理有磁介質的磁高斯定理0BBB磁介質存在時，磁感應線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線磁介質存在時，磁感應線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線(含磁介質的磁高斯定理含磁介質的磁高斯定理)對于任意閉合曲面對于任意閉合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB第20頁/共30頁四四. 有磁介質時的安培環(huán)路定理有磁介質時的安培環(huán)路定理1. 束縛電流束縛電流0B以無限長螺線管為

17、例以無限長螺線管為例定義定義：磁化強度：磁化強度 VPMm 磁化強度越強，反映磁介質磁化程度越強磁化強度越強，反映磁介質磁化程度越強順順磁磁質質0I0ISI在磁介質內(nèi)部的任一小區(qū)域：在磁介質內(nèi)部的任一小區(qū)域：相鄰的分子環(huán)流的方向相反相鄰的分子環(huán)流的方向相反在磁介質表面處各點：在磁介質表面處各點：分子環(huán)流未被抵消分子環(huán)流未被抵消形成沿表面流動的面電流形成沿表面流動的面電流SI束縛電流束縛電流第21頁/共30頁VPMm i結論：結論：介質中磁場由傳導和束縛電流共同產(chǎn)生。介質中磁場由傳導和束縛電流共同產(chǎn)生。順順磁磁質質0ISIabcdiLIlB0d) (00SINI )(00abiNI nMi束縛電

18、流密度束縛電流密度2. 磁介質中的安培環(huán)路定理磁介質中的安培環(huán)路定理LLlMNIlBdd000用磁化強度描述束縛電流項用磁化強度描述束縛電流項可證明可證明:第22頁/共30頁000d)(NIlMBLiI0定義磁場強度定義磁場強度MBH00dIlHL(磁介質的安培環(huán)路定理磁介質的安培環(huán)路定理)磁介質內(nèi)磁場強度沿所選閉合路徑的環(huán)流等于閉合積分路徑所包圍的所有傳導電流的代數(shù)和。磁介質內(nèi)磁場強度沿所選閉合路徑的環(huán)流等于閉合積分路徑所包圍的所有傳導電流的代數(shù)和。討論討論 束縛電流與磁化強度束縛電流與磁化強度xyzM i i設單位長度上的束縛電流為設單位長度上的束縛電流為沿沿Z方向磁化的介質體元方向磁化的

19、介質體元第23頁/共30頁）內(nèi)LIlML( d取任意閉合回路取任意閉合回路 L，則磁化強度，則磁化強度M 沿沿L 的積分等于穿過此的積分等于穿過此積分回路圍成的面積上束縛電流強度的代數(shù)和。積分回路圍成的面積上束縛電流強度的代數(shù)和。 (普遍關系式普遍關系式)ziI SIPmzyxi iVPMm則，它產(chǎn)生的磁矩則，它產(chǎn)生的磁矩nMixyzM i介質側面上的束縛電流強度介質側面上的束縛電流強度第24頁/共30頁(3) 對于各向同性介質，在外磁場不太強的情況下對于各向同性介質，在外磁場不太強的情況下HMHMmm 介質的磁化率介質的磁化率MHB00Hm0)1 (00BrHHBr0一定條件下，可用安培環(huán)路

20、定理求解磁場強度，然后再求解磁感應強度。一定條件下，可用安培環(huán)路定理求解磁場強度，然后再求解磁感應強度。第25頁/共30頁一無限長載流直導線，其外包圍一層磁介質，相對磁導率一無限長載流直導線，其外包圍一層磁介質，相對磁導率1r(2) 介質內(nèi)外界面上的束縛電流密度介質內(nèi)外界面上的束縛電流密度例例求求解解根據(jù)磁介質的安培環(huán)路定理根據(jù)磁介質的安培環(huán)路定理IrHlHL2drIH2/(1) 磁介質中的磁化強度和磁感應強度磁介質中的磁化強度和磁感應強度r2R1RIrHH1HMrm)(rIr2) 1(rIHBrr200由磁化強度與束縛電流密度的關系由磁化強度與束縛電流密度的關系nMi內(nèi)界面內(nèi)界面:1112) 1(RIMir外界面外界面:222) 1(RIir1i2i第26頁/共30頁五五. .鐵磁質鐵磁質主要特征主要特征在外場中，鐵磁質可使原磁場大大增強。在外場中，鐵磁質可使原磁場大大增強。撤去外磁場后，鐵磁質仍能保留部分磁性。撤