2024年度《大學(xué)物理上》第七章恒定磁場

《大學(xué)物理上》第七章恒定磁場12024/3/23目錄恒定磁場基本概念與性質(zhì)恒定電流產(chǎn)生磁場恒定磁場中物質(zhì)性質(zhì)恒定磁場中能量轉(zhuǎn)換與儲存恒定磁場中力學(xué)效應(yīng)恒定磁場在生活、科技領(lǐng)域應(yīng)用22024/3/23恒定磁場基本概念與性質(zhì)0132024/3/23磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度是描述磁場強弱和方向的物理量，用符號B表示，單位為特斯拉（T）。在磁場中某一點，磁感應(yīng)強度的方向就是該點的磁場方向，大小則與該點的磁場強弱成正比。磁場磁場是存在于磁體周圍的一種特殊物質(zhì)，它對放入其中的磁體產(chǎn)生磁力作用。磁場的基本性質(zhì)是對放入其中的磁體產(chǎn)生磁力的作用。磁場與磁感應(yīng)強度42024/3/23為了形象地描述磁場，在磁場中畫出一系列有方向的曲線，這些曲線在磁場中的每一點的切線方向都表示該點的磁場方向，這樣的曲線叫做磁感線。在磁場中，任意一點的磁場方向定義為該點的小磁針靜止時北極所指的方向。在磁體外部，磁感線從N極指向S極；在磁體內(nèi)部，磁感線從S極指向N極。磁感線磁場方向磁感線及磁場方向52024/3/23恒定磁場是一種無散度、有旋度的矢量場，它的性質(zhì)可以用麥克斯韋方程組來描述。恒定磁場中的磁力線是閉合的，沒有起點和終點。磁力線在空間中不相交，也不中斷。恒定磁場中的磁力對運動電荷和電流有作用，但對靜止電荷沒有作用。恒定磁場的強弱可以用磁感應(yīng)強度B來描述，B的大小和方向由磁場本身決定，與放入其中的磁體無關(guān)。恒定磁場性質(zhì)62024/3/23恒定電流產(chǎn)生磁場0272024/3/23奧斯特實驗01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02描述了磁場與電流之間的關(guān)系，指出磁場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代數(shù)和的μ0倍。安培環(huán)路定理的應(yīng)用03可用來計算長直導(dǎo)線、圓形載流導(dǎo)線等電流分布產(chǎn)生的磁場。奧斯特實驗與安培環(huán)路定理82024/3/2301長直導(dǎo)線周圍的磁場分布規(guī)律離導(dǎo)線越近，磁場越強；離導(dǎo)線越遠，磁場越弱。02磁場方向與電流方向的關(guān)系根據(jù)右手螺旋定則，磁場方向垂直于電流方向，且符合右手螺旋方向。03長直導(dǎo)線磁場的計算利用安培環(huán)路定理或畢奧-薩伐爾定律可計算長直導(dǎo)線周圍的磁場分布。長直導(dǎo)線周圍磁場分布92024/3/23圓形載流導(dǎo)線周圍的磁場分布規(guī)律01在導(dǎo)線內(nèi)部，磁場方向與電流方向相同；在導(dǎo)線外部，磁場方向與電流方向相反。02圓形載流導(dǎo)線磁場的計算利用安培環(huán)路定理或畢奧-薩伐爾定律可計算圓形載流導(dǎo)線周圍的磁場分布。03圓形載流導(dǎo)線與長直導(dǎo)線的比較圓形載流導(dǎo)線的磁場分布更加均勻，且在導(dǎo)線中心處磁場為零；而長直導(dǎo)線的磁場在導(dǎo)線中心處最強。圓形載流導(dǎo)線周圍磁場分布102024/3/23恒定磁場中物質(zhì)性質(zhì)03112024/3/23磁矩為零，磁化率為負值且絕對值很小，如Cu、Ag等金屬?？勾判源啪夭粸榱?，磁化率較大，相鄰磁矩反向排列但不等量，如Fe3O4等化合物。亞鐵磁性磁矩不為零，磁化率為正值且很小，如O2、N2等分子。順磁性磁矩不為零，磁化率很大，存在磁疇結(jié)構(gòu)和自發(fā)磁化現(xiàn)象，如Fe、Co、Ni等金屬。鐵磁性磁矩為零，磁化率較小，相鄰磁矩反向排列，如MnO等化合物。反鐵磁性0201030405物質(zhì)磁性分類及特點122024/3/23磁化過程鐵磁質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部磁疇的磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向，從而使鐵磁質(zhì)被磁化的過程。該過程可分為可逆的疇壁移動和不可逆的磁矩轉(zhuǎn)動兩個階段。磁滯現(xiàn)象當(dāng)鐵磁質(zhì)被磁化到飽和狀態(tài)后，若減小外磁場強度H，則鐵磁質(zhì)的磁感應(yīng)強度B并不沿原曲線返回，而是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁滯回線表示鐵磁質(zhì)在周期性交變磁場中的B-H關(guān)系曲線。該曲線所包圍的面積表示鐵磁質(zhì)在交變磁場中反復(fù)被磁化所消耗的能量。鐵磁質(zhì)磁化過程與磁滯現(xiàn)象132024/3/23變壓器利用鐵芯（鐵磁質(zhì)）的高導(dǎo)磁性，實現(xiàn)電壓的變換和電流的傳輸。電動機利用通電導(dǎo)線在磁場中受力的原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。其中，定子通常采用鐵芯繞制線圈以產(chǎn)生恒定磁場。發(fā)電機利用導(dǎo)體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。其中，轉(zhuǎn)子通常采用鐵芯繞制線圈以產(chǎn)生恒定磁場。電磁鐵利用線圈通電后產(chǎn)生的磁場來吸引或排斥鐵磁性物質(zhì)，從而實現(xiàn)開關(guān)、制動等控制功能。鐵磁質(zhì)應(yīng)用舉例142024/3/23恒定磁場中能量轉(zhuǎn)換與儲存04152024/3/23磁場能量密度的定義單位體積內(nèi)的磁場能量。公式推導(dǎo)從磁場的基本定律和磁感應(yīng)強度的定義出發(fā)，結(jié)合磁場中的能量守恒定律，推導(dǎo)出磁場能量密度的公式。公式形式磁場能量密度=(1/2)×磁感應(yīng)強度B的平方×磁介質(zhì)常數(shù)μ0。磁場能量密度公式推導(dǎo)162024/3/23磁場與電流相互作用當(dāng)導(dǎo)線或線圈在磁場中運動時，會在其中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)磁場能量與電能的相互轉(zhuǎn)換。洛倫茲力與安培力做功洛倫茲力和安培力是磁場對運動電荷和電流的作用力，它們在磁場中做功，實現(xiàn)磁場能量與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。磁滯損耗和渦流損耗在鐵磁材料中，由于磁疇的轉(zhuǎn)動和疇壁的移動需要消耗能量，因此會產(chǎn)生磁滯損耗。同時，變化的磁場會在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生渦流損耗。這些損耗都是磁場能量轉(zhuǎn)換為熱能的過程。能量轉(zhuǎn)換過程分析172024/3/23計算磁場儲能的公式通過計算磁場中的磁感應(yīng)強度分布，結(jié)合磁場能量密度的公式，可以計算出磁場中儲存的能量。計算步驟首先確定磁場的分布和范圍，然后計算各點的磁感應(yīng)強度，最后利用磁場能量密度的公式進行積分計算，得出整個磁場中儲存的能量。應(yīng)用舉例在電機、變壓器等電氣設(shè)備中，通過計算磁場儲能可以評估設(shè)備的性能和設(shè)計參數(shù)。同時，在電磁炮、磁懸浮列車等高科技應(yīng)用中，也需要對磁場儲能進行精確的計算和控制。儲存能量計算方法182024/3/23恒定磁場中力學(xué)效應(yīng)05192024/3/23根據(jù)洛倫茲力定律，當(dāng)電荷在磁場中運動時，會受到一個與電荷速度方向和磁場方向都垂直的力，即洛倫茲力。其大小可表示為F=qvBsinθ，其中q為電荷量，v為電荷速度，B為磁感應(yīng)強度，θ為v與B之間的夾角。洛倫茲力公式推導(dǎo)洛倫茲力在粒子加速器、質(zhì)譜儀和回旋加速器等裝置中有廣泛應(yīng)用。例如，在粒子加速器中，利用洛倫茲力使帶電粒子在磁場中做回旋運動，并通過電場加速，從而獲得高能量。應(yīng)用舉例洛倫茲力公式推導(dǎo)及應(yīng)用舉例202024/3/23霍爾效應(yīng)原理當(dāng)電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體時，會在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。其產(chǎn)生原因是由于磁場對導(dǎo)體中載流子的洛倫茲力作用，使得載流子在導(dǎo)體兩側(cè)聚集形成電勢差。應(yīng)用舉例霍爾效應(yīng)在測量磁場、電流和載流子類型等方面有廣泛應(yīng)用。例如，霍爾元件可用于測量磁場強度，其輸出電勢差與磁感應(yīng)強度成正比。此外，利用霍爾效應(yīng)還可以制作電流傳感器和位置傳感器等。霍爾效應(yīng)原理及應(yīng)用舉例212024/3/23安培力當(dāng)載流導(dǎo)線在磁場中受到力的作用時，會產(chǎn)生一個與電流和磁場方向都垂直的力，稱為安培力。安培力的大小可表示為F=BILsinθ，其中B為磁感應(yīng)強度，I為導(dǎo)線中的電流強度，L為導(dǎo)線在磁場中的有效長度，θ為B與I之間的夾角。磁力矩當(dāng)磁矩在磁場中受到力的作用時，會產(chǎn)生一個力矩使磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動，這個力矩稱為磁力矩。磁力矩的大小可表示為M=m×B，其中m為磁矩矢量，B為磁感應(yīng)強度矢量。其他力學(xué)效應(yīng)簡介222024/3/23恒定磁場在生活、科技領(lǐng)域應(yīng)用06232024/3/23工作原理電磁鐵是利用恒定磁場產(chǎn)生磁力的裝置。當(dāng)導(dǎo)線通電時，會在周圍產(chǎn)生磁場，使得鐵芯磁化，從而吸引或排斥其他鐵磁性物質(zhì)。電磁起重機利用電磁鐵產(chǎn)生強大磁力，吸附和搬運鋼鐵等重物。電磁鎖通過電磁鐵控制鎖舌的伸縮，實現(xiàn)門的開關(guān)。音響喇叭將音頻信號轉(zhuǎn)換為電流，通過電磁鐵驅(qū)動振膜振動發(fā)出聲音。電磁鐵工作原理及應(yīng)用舉例242024/3/23電機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。在恒定磁場中，通電導(dǎo)體受到安培力的作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運動。工作原理利用直流電產(chǎn)生恒定磁場，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。直流電機利用交流電產(chǎn)生交變磁場，通過電磁感應(yīng)驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。交流電機采用永磁體提供恒定磁場，無需外部勵磁電源。永磁電機電機工作原理簡介252024/3/23