第15電流和磁場

靜電荷和靜電場靜電荷激發(fā)靜電場PQdEPrdq靜電場的基本定理環(huán)路定理

高斯定理靜電場和物質(zhì)的相互作用靜電場和導(dǎo)體的相互作用：靜電感應(yīng)靜電平衡下的導(dǎo)體的性質(zhì)：靜電場和電介質(zhì)的相互作用：介質(zhì)的極化介質(zhì)中的高斯定理第15章電流和磁場本章主要涉及四個(gè)方面的問題：1）磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度

電流、磁現(xiàn)象、磁感應(yīng)強(qiáng)度2）畢奧－薩伐爾定律

畢奧－薩伐爾定律及應(yīng)用、運(yùn)動電荷的磁場3）磁場的高斯定理與安培環(huán)路定理

磁通量、磁場的高斯定理、安培環(huán)路定理及應(yīng)用4）磁場對載流導(dǎo)線與運(yùn)動電荷的作用

安培定律、霍爾效應(yīng)第十五章電流和磁場

電荷的攜帶者可以是自由電子、質(zhì)子、正負(fù)離子，這些帶電粒子亦稱為載流子。由帶電粒子定向運(yùn)動形成的電流叫做傳導(dǎo)電流。此外，帶電物體作機(jī)械運(yùn)動時(shí)也能形成電流，這種電流叫做運(yùn)流電流。

電流的強(qiáng)弱用電流強(qiáng)度I（簡稱電流）來描述，定義為單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的電荷，即15-1

磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度1、電流電流密度電流大量電荷的定向移動形成電流。電流強(qiáng)度I

電流是七個(gè)基本物理量之一，其單位為安培(A)。電流不是矢量，是標(biāo)量。人們常說的“電流的方向”，只是指“正電荷的流向”。

電流強(qiáng)度的概念描述的是通過導(dǎo)體某個(gè)橫截面的電流的整體特征，這個(gè)描述是籠統(tǒng)的，但在解決一般的電路問題時(shí)，利用電流強(qiáng)度的概念就可以了，但在有些實(shí)際問題中，會遇到電流通過大塊導(dǎo)體的情形。如：電鍍、電阻法勘探、電流的趨膚效應(yīng)等。電流密度j電流不細(xì)致地描述電流在大塊導(dǎo)體中的分布情況

電流密度矢量在數(shù)值上等于通過某點(diǎn)與電流方向垂直的單位截面上的電流。其方向?yàn)樵擖c(diǎn)正電荷移動的方向。單位安培/米2（A/m2）電流強(qiáng)度I是電流密度j的通量：設(shè)面元dS上的電流密度為j，方向與面元法線n方向成

角，則通過該面元的電流為通過S面的電流為即電流I等于電流密度矢量穿過曲面S上的通量。dSSjn

人類對磁現(xiàn)象的認(rèn)識與研究比電現(xiàn)象早的多，早在春秋時(shí)期(公元前6世紀(jì))，我們的祖先就已有了“磁石召鐵”的記載(見《管子》)（注：天然磁石主要成分是Fe3O4，現(xiàn)在所用磁鐵多由Fe、Co、Ni等由人工方法制成）

；晉代發(fā)明了指南車(約3---4世紀(jì))；宋朝我國大科學(xué)家沈括發(fā)明了指南針，且將其用于航海。

司南勺

早期人們利用磁石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一些基本的結(jié)論。如:(1)磁鐵具有N、S極，磁極間有相互作用力------磁力，同極相斥，異極相吸。(2)地球也是個(gè)大磁場。(3)把磁鐵作任意分割，每一小塊都有南北兩極，任一磁鐵總是兩極同時(shí)存在等，但當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為電與磁是兩類毫不相干的現(xiàn)象。2、磁現(xiàn)象美麗的極光第十五章電流和磁場第十五章電流和磁場極光第十五章電流和磁場1819年，丹麥物理學(xué)家奧斯特在講授電學(xué)和磁學(xué)課時(shí)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)

法國科學(xué)家安培（1775

1836）兩條平行載流導(dǎo)線之間存在相互作用，這些相互作用力均被稱為磁力。進(jìn)一步的研究表明，產(chǎn)生磁力的根源是運(yùn)動電荷與運(yùn)動電荷之間的相互作用。

我們知道，靜止電荷之間的相互作用是通過電場來實(shí)現(xiàn)的。與此相似，運(yùn)動電荷之間的相互作用則是通過磁場來實(shí)現(xiàn)的。一切運(yùn)動電荷(電流)都會在其周圍空間激發(fā)磁場，而此磁場又會對處于其中的另一些運(yùn)動電荷(電流)施加磁力作用，其關(guān)系為：運(yùn)動電荷(電流)

磁場

運(yùn)動電荷(電流)NS

為了解釋物質(zhì)的磁性，安培于1822年提出了分子電流假說。他認(rèn)為，磁現(xiàn)象的根源是電流；宏觀物質(zhì)的內(nèi)部存在有分子電流，每個(gè)分子電流均有自己的效應(yīng)，物質(zhì)的磁性就是這些分子電流對外表現(xiàn)出的磁效應(yīng)的總和：當(dāng)各分子電流取向傾向一致時(shí)，物質(zhì)便會對外表現(xiàn)出磁性；當(dāng)各分子電流取向無規(guī)則時(shí)，各分子電流的磁效應(yīng)相互抵消，物質(zhì)便不對外表現(xiàn)出磁性。

安培的分子電流假說與現(xiàn)代的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論相符。物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論指出，—切物質(zhì)均由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和核外電子組成；電子除繞核運(yùn)動外，還作自旋運(yùn)動，分子電流就是由原子內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動而形成的，因而可以認(rèn)為，一切物質(zhì)的磁性均起源于電荷的運(yùn)動，磁相互作用的實(shí)質(zhì)就是運(yùn)動電荷之間的相互作用。

如：磁性材料、磁記錄設(shè)備、磁懸浮列車； 發(fā)電機(jī)、電動機(jī)；生物磁（人體磁10-8～10-13T，腦磁）磁學(xué)研究的重要性：第十五章電流和磁場3、磁感應(yīng)強(qiáng)度

類似于電場強(qiáng)度的導(dǎo)出，用磁場對（試驗(yàn)）運(yùn)動電荷q的作用力來定義磁場，由于歷史的原因，稱為磁感強(qiáng)度（矢量）B。實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）當(dāng)q以速度v沿某一特定方向（如圖中y方向）運(yùn)動時(shí)受力為零。定義該方向?yàn)榇艌鯞的方向。qvByF=0（2）q沿其他方向運(yùn)動時(shí)，所受磁力F的方向總與v垂直，也總與磁場B的方向垂直。qvByxzF

（3）所受磁力F的大小與q、v成正比，與運(yùn)動方向有關(guān)，沿與磁場B垂直的方向運(yùn)動時(shí)受力最大，F(xiàn)max∝qv。qvByxzFmax定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B大?。褐慌c磁場的本身性質(zhì)有關(guān)。方向：q受磁場力為零時(shí)的運(yùn)動方向，按右螺旋法則可由矢積Fmax

v來確定。單位：SI單位制中為特斯拉（T）；在高斯單位制中為高斯（Gs），1T=104Gs。

實(shí)驗(yàn)中測得磁場對運(yùn)動電荷的作用力稱為洛倫茲力。用矢量表示為qvByxzFmax洛倫茲力本章主要涉及四個(gè)方面的問題：1）磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度

電流、磁現(xiàn)象、磁感應(yīng)強(qiáng)度2）畢奧－薩伐爾定律

畢奧－薩伐爾定律及應(yīng)用、運(yùn)動電荷的磁場3）磁場的高斯定理與安培環(huán)路定理

磁通量、磁場的高斯定理、安培環(huán)路定理及應(yīng)用4）磁場對載流導(dǎo)線與運(yùn)動電荷的作用

安培定律、霍爾效應(yīng)第十五章電流和磁場√

電流可以激發(fā)磁場。1820年法國科學(xué)家畢奧和薩伐爾對不同形狀的載流導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行了大量的研究工作，數(shù)學(xué)家拉普拉斯分析了他們所得到的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了電流元產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，故稱為畢奧---薩伐爾---拉普拉斯定律，簡稱畢奧---薩伐爾定律。15-2畢奧—薩伐爾定律

1、畢奧－薩伐爾定律

在導(dǎo)線中沿電流方向取長為dl的矢量元dl，Idl稱為電流元，到場點(diǎn)P的距離為r，dl與r的夾角為

B的大?。号c電流元Idl成正比，與

sin

成正比，與r2成反比，即

0=4

10-7(N/A2)，稱真空中的磁導(dǎo)率。B的方向：由dl

r的方向來確定。

矢量式：

×電流元①畢奧—薩伐爾定律是個(gè)矢量積分式。

討論積分式：

×電流元②畢奧—薩伐爾定律不能用實(shí)驗(yàn)直接證明，因?yàn)殡娏髟豢赡軉为?dú)存在。其正確性是通過間接的方法得到證實(shí)的，因?yàn)橛伤瞥龅乃薪Y(jié)果都很好地與實(shí)驗(yàn)符合。

討論磁感應(yīng)線（磁力線）

用以直觀、形象地描述磁場的分布而假設(shè)的線條。磁感應(yīng)線的特點(diǎn)：

曲線上任一點(diǎn)的切線方向與B的方向一致。

垂直通過單位面積的磁感應(yīng)線數(shù)（磁感線密度）與B成正比?！?2-1磁場1．長直載流導(dǎo)線的磁場

長直導(dǎo)線MN，載有電流I，場點(diǎn)P距導(dǎo)線為a，由畢奧—薩伐爾定律，在導(dǎo)線上任取一電流源Idl，在場點(diǎn)P產(chǎn)生的磁場dB大小為不管電流元取在何處，磁場方向總是垂直紙面向里，因此可將矢量積分化簡為標(biāo)量積分。PardlMNIdB

oIdl

2、畢奧－薩伐爾定律應(yīng)用積分

利用變量代換可化簡積分，取

為自變量，有l(wèi)=actg(

-

)=-actg

dl=a/sin2

d

將以上關(guān)系式代入積分，得ParldlMNIdB

1

2

oIdl

設(shè)電流線長為L，當(dāng)長度L>>a，即導(dǎo)線可視為“無限長”時(shí)，有

1=0，

2=

，得

磁場B與電流I成正比，與距離a成反比，磁感應(yīng)線為環(huán)繞電流的同心圓。IB的方向與電流方向成右螺旋關(guān)系。

若導(dǎo)線為“半無限長”時(shí)，有

1=

/2，

2=

，得Pao

1B在導(dǎo)線的延長線上的某點(diǎn)的B？2．載流圓線圈的磁場

計(jì)算載流圓形線圈軸線上一點(diǎn)P處的磁場。rxPRo

dB∥

dB⊥dldBIx大?。阂?yàn)閐l方向?yàn)閳A的切線方向，始終與r和x軸組成的平面垂直，即與r垂直，故sin

=1，則方向：不同處dl產(chǎn)生的dB方向不同，將dB分解為dB⊥和dB//，由對稱性知，dB⊥分量互相抵消，只剩dB//沿x軸方向。對x方向的dB//求和：結(jié)果：rxPR