《稳恒电流的磁场》PPT课件.ppt
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1、第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学9.0.1 9.0.1 恒定恒定电电流和恒定流和恒定电场电场电流电流 :大量电荷的定向运动大量电荷的定向运动。导体中存在自由电荷;导体中存在自由电荷;形成电流的两个基本条件:形成电流的两个基本条件:导体中要维持一定的电场。导体中要维持一定的电场。载流子:载流子:导体中承载电荷的粒子导体中承载电荷的粒子。(如在半导体中载流子(如在半导体中载流子有电子或空穴;在金属中是电子;在电解质溶液中是离子)有电子或空穴;在金属中是电子;在电解质溶液中是离子)S补充内容:电流与电动势补充内容:电流与电动势第第9 9章章 稳恒电流
2、的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学电流强度(电流强度(I I):):单位时间内通过导体任一横单位时间内通过导体任一横截面的电量截面的电量 。单位:单位:安培安培导体中通过任一截面的电流强度不随时间变化(导体中通过任一截面的电流强度不随时间变化(I I=恒量)。恒量)。恒定电流(直流电):恒定电流(直流电):电流强度的方向:电流强度的方向:导体中正电荷的流向导体中正电荷的流向。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学维持稳定电流的条件是在导体内部建立稳定电场维持稳定电流的条件是在导体内部建立稳定电场 恒定电场和静电场相同,也遵守静
3、电场的恒定电场和静电场相同,也遵守静电场的高斯定理和环路定理。高斯定理和环路定理。结论:结论:产生恒定电场的电荷分布必须不随时间变化产生恒定电场的电荷分布必须不随时间变化 9.0.2 电流密度电流密度:电流密度:导体中单位时间内通过垂直于电流方向单位导体中单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量为导体中某点处电流密度面积的电量为导体中某点处电流密度 j 的大小,的大小,j 的方向为该点正电荷定向漂移的方向的方向为该点正电荷定向漂移的方向。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学载流子载流子 浓度浓度 n;载流子电量载流子电量 q;载流子漂移速度载流子
4、漂移速度 电流密度矢量:电流密度矢量:通过任意曲面的电流强度通过任意曲面的电流强度 :第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学如何维持恒定电流如何维持恒定电流两个不等势的带电导体两个不等势的带电导体用导线连接用导线连接,会怎么样会怎么样?可见静电场不能保持恒定电流可见静电场不能保持恒定电流,V2V1思思考考导体内恒定电场的建立导体内恒定电场的建立 电源的电动势电源的电动势L-AB电源电源内电路内电路外电路外电路+闭合电路形成恒定电流必须闭合电路形成恒定电流必须有有电源电源9.0.3 9.0.3 电源电源 电动势电动势第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电
5、流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学 非静电力非静电力:能不断分离正负电荷使正电荷逆能不断分离正负电荷使正电荷逆静电场力方向运动静电场力方向运动.电源电源:提供非静电力的:提供非静电力的装置装置.非静电非静电电场强度电场强度 :为单位正电荷所受的非静电力为单位正电荷所受的非静电力.+-+第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学 电动势的定义:电动势的定义:单位正电荷绕闭合回路运单位正电荷绕闭合回路运动一周,非静电力动一周,非静电力所做的功所做的功.电动势:电动势
6、:+-+第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学 电源电动势大小电源电动势大小等于将单位正电荷从负极经等于将单位正电荷从负极经电源内部移至正极时非静电力所作的功电源内部移至正极时非静电力所作的功.电源电动势电源电动势电源电动势的方向:电源电动势的方向:电源内部电势升高的方向。电源内部电势升高的方向。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学第九章第九章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场9.1.1 基本磁现象 1 1、中中国国:古古人人将将磁磁石石称称为为慈慈石石来来形形容容磁磁石石“以以为母也,故能引其子为母也,故能
7、引其子”的功能。的功能。2.英国人吉尔伯特(英国人吉尔伯特(1544-1623)曾为英国伊丽莎白一曾为英国伊丽莎白一世的御医,世的御医,16001600年发表年发表论论磁石磁石,总结了前人的经验,总结了前人的经验,记载了大量实验。记载了大量实验。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学在磁极区域,磁性较强在磁极区域,磁性较强磁偏角 地球是一个巨大的地球是一个巨大的永磁体。永磁体。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学在在历历史史
8、上上很很长长一一段段时时间间,电电和和磁磁一一直直是是毫毫无无关关系系的的两两门门学学科科,围围绕绕电电与与磁磁寻寻找找自然现象之间的联系,成为一种潮流自然现象之间的联系,成为一种潮流自然界的各种基本力可以互相自然界的各种基本力可以互相转化。究竟电是否以隐蔽的方转化。究竟电是否以隐蔽的方式对磁体有作用?式对磁体有作用?17世纪,吉尔伯特、库仑曾认为:电与磁无关!世纪,吉尔伯特、库仑曾认为:电与磁无关!1731年年 英国商人英国商人 雷电后,刀叉带雷电后,刀叉带磁性磁性!1751年年富兰克林富兰克林莱顿瓶放电莱顿瓶放电后,缝衣针后,缝衣针磁化了磁化了!18071807年年 奥斯特奥斯特第第9 9
9、章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学 1820年年4月,丹麦物理学家奥斯特月,丹麦物理学家奥斯特(H.C.Oersted,17771851)发发现了小磁针在通电导线周围受到磁力作用而发生偏转。现了小磁针在通电导线周围受到磁力作用而发生偏转。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学安培实验(安培实验(18201820年)年)(1 1)磁体附近的载流导线受到力的作用:)磁体附近的载流导线受到力的作用:第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学(2 2)电流与电流之间存在相互作用:)
10、电流与电流之间存在相互作用:第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学S+(3 3)磁场对运动电荷的作用:)磁场对运动电荷的作用:电子束电子束N第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学 磁现象与电荷的运动有着密切的关系。运动电荷既能产生磁效应,也能受磁力的作用。结论:结论:1821182118211821年,安培提出了关于物质磁性的本质假说:年,安培提出了关于物质磁性的本质假说:年,安培提出了关于物质磁性的本质假说:年,安培提出了关于物质磁性的本质假说:一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分子中存在一切磁现象的根源
11、是电流。磁性物质的分子中存在回路电流,称为分子电流。分子电流相当于基元磁铁,回路电流,称为分子电流。分子电流相当于基元磁铁,物质对外显示出磁性,取决于物质中分子电流对外界的物质对外显示出磁性,取决于物质中分子电流对外界的磁效应的总和。磁效应的总和。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学静电荷静电荷运动电荷运动电荷稳恒电流稳恒电流静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场电场电场磁场磁场稳恒磁场稳恒磁场:磁场中各点的磁感应强度不随时间变化的磁场磁场中各点的磁感应强度不随时间变化的磁场.学习方法学习方法:类比法类比法第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理
12、学A第三篇第三篇 电磁学电磁学场场源源试验电荷试验电荷试验电荷试验电荷运动运动运动运动试验电荷试验电荷试验电荷试验电荷静止静止静止静止静止电荷静止电荷运动电荷运动电荷运动电荷运动电荷静电力静电力F=qE试验电荷试验电荷试验电荷试验电荷运动运动运动运动洛伦兹力洛伦兹力作作作作用用用用 作作作作用用用用 9.1.2、磁场、磁场 磁感应强度磁感应强度1、磁场、磁场第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学1.1.磁场磁场1)1)磁相互作用的场的观点磁相互作用的场的观点2)2)磁场磁场3)3)磁场的的基本性质磁场的的基本性质 对处在磁场中的运动电荷(电流)产生作
13、用力对处在磁场中的运动电荷(电流)产生作用力.运动电荷(电流)周围空间存在的一种场。运动电荷(电流)周围空间存在的一种场。运动电荷运动电荷磁场磁场运动电荷运动电荷9.1.2、磁场、磁场 磁感应强度磁感应强度第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学2、磁感应强度、磁感应强度在在闭合回路中取电流元闭合回路中取电流元电流元在磁场中的受力特点电流元在磁场中的受力特点:(1)电流元在磁场中的方向不同电流元在磁场中的方向不同,受力也不同受力也不同;存在一个方向使存在一个方向使定义定义
14、(2)当电流元的取向与当电流元的取向与 磁感应强度的方向磁感应强度的方向垂垂 直时直时,受到的磁场力最受到的磁场力最 大大;磁感应强度的大小磁感应强度的大小定义该方向为磁感应强度的方向定义该方向为磁感应强度的方向第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学满足满足 (3)磁场力)磁场力的方向与电流元的方向与电流元和磁感应强度和磁感应强度安培力公式安培力公式右手螺旋关系右手螺旋关系磁感应强度有各种定义方法,除上述方法外,我们还可以用运磁感应强度有各种定义方法,除上述方法外,我们还可以用运动电荷在磁场中的受力来定义。动电荷在磁场中的受力来定义。单位单位 T 或
15、或 Gs 1Gs=10 4 T磁场服从磁场服从叠加原理叠加原理第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学+q实验证明:实验证明:方向方向:小磁针在该点的小磁针在该点的N 极指向(极指向(F=0时正电荷的运动方向)时正电荷的运动方向)大小大小:单位单位:T(特斯拉特斯拉)2 2、磁感应强度、磁感应强度磁感应强度磁感应强度第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学9.2 毕奥毕奥-萨伐尔定律及其应用萨伐尔定律及其应用9.2.19.2.1、毕奥、毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律大小大小:方向方向:右手螺旋法则右手螺旋法则矢量式
16、:矢量式:方向方向:该点电流的方向该点电流的方向大小大小:真空的磁导率真空的磁导率一段载流导线在场一段载流导线在场点处产生的磁感强点处产生的磁感强度为度为:P第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学9.2.29.2.2、毕奥、毕奥-萨伐尔定律的应用萨伐尔定律的应用1.直电流的磁场直电流的磁场已知:真空中已知:真空中建立坐标系建立坐标系oxy任取电流元任取电流元大小大小:方向方向:xyPa+第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学无限长载流直导线的磁场无限长载流直导线的磁场:讨论讨论半无限长载流直导线的磁场半无限
17、长载流直导线的磁场:直导线延长线上点的直导线延长线上点的磁场磁场:xyPa+第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学(2 2)环形电流的磁场)环形电流的磁场 第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学已知已知:R、I ,求轴线上求轴线上P点的点的分析对称性分析对称性,写出分量式写出分量式:PR建立坐标系建立坐标系oxy任取电流元任取电流元大小大小:方向方向:方向:右手螺旋法则方向:右手螺旋法则大小:大小:第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学第第9 9章章 稳恒电流的磁
18、场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学(1)(1)圆心处圆心处:载流圆环载流圆环:载流圆弧载流圆弧:I圆心角圆心角 圆心角圆心角讨论讨论I定义定义该磁偶极子的该磁偶极子的磁矩磁矩为为:S这时有这时有:定义定义此时圆电流为此时圆电流为磁偶极子磁偶极子.(2)处处:该式对任意形状的线圈都适用该式对任意形状的线圈都适用.第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学例例1 1如图,求圆心如图,求圆心O点的点的 .OIoI第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学3.载流密绕直螺线管内部轴线上的磁场载流密绕直螺
19、线管内部轴线上的磁场xrORx螺线管半径为螺线管半径为 R;导线中电流为导线中电流为 I;单位长度线圈匝数单位长度线圈匝数 n在螺线管上的在螺线管上的 x 处截取一小段处截取一小段圆环轴线第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学xrORx第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学长螺线管中心:长螺线管中心:长螺线管端口:长螺线管端口:第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学例例2 无限长载流
20、直导线弯成如图形状无限长载流直导线弯成如图形状,已知已知:求求:P、R、S、T 四点的四点的解:解:P点点:R点点:方向如图所示方向如图所示方向如图所示方向如图所示第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学S 点点:T 点点:方向如图所示方向如图所示方向如图所示方向如图所示第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学例例 3均匀带电圆环均匀带电圆环qR已知:已知:q、R、圆环绕轴线匀速旋转。圆环绕轴线匀速旋转。求圆心处的求圆心处的解:解:带电体转动,形成运流电流。带电体转动,形成运流电流。第第9 9章章 稳恒电流的磁
21、场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学9.2.39.2.3、运动电荷的磁场、运动电荷的磁场IS电流电流:电荷定向运动电荷定向运动电流元电流元:载流子总数载流子总数其中其中:电荷电荷密度密度速率速率截面积截面积一个运动电荷产生的磁场一个运动电荷产生的磁场:第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学+适用条件适用条件运动电荷的磁场运动电荷的磁场第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学例例5 氢原子中电子绕核作圆周运动氢原子中电子绕核作圆周运动 (1)(1)轨道中心处的轨道中心处的(2)电子的磁矩电子的
22、磁矩已知已知:解解:方向方向:求求:方向如图所示方向如图所示第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学 例例4 半径为半径为R的带电薄圆盘的的带电薄圆盘的电荷面密度为电荷面密度为,并以角速度并以角速度绕绕通过盘心垂直于盘面的轴转动通过盘心垂直于盘面的轴转动,求求圆盘圆盘中心中心的磁感强度的磁感强度.解法一解法一 圆电流的磁场圆电流的磁场向外向外向内向内第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学解法二解法二 运动电荷的磁场运动电荷的磁场第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学
23、概念概念 定律定律 方法方法 结论结论静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场类比类比点电荷点电荷电流元电流元无限长均匀带电直线无限长均匀带电直线无限长载流直线无限长载流直线均匀带电圆环轴线上一点均匀带电圆环轴线上一点圆心处:圆心处:圆电流轴线上一点圆电流轴线上一点圆心处:圆心处:第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学1.1.磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁感应强度磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁感应强度的方向一致。的方向一致。2.2.垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感应强垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感应强度度B B的大小。的大小
24、。9.3.1 9.3.1 磁感应线(磁感应线(B B线):线):9-3 磁通量磁通量 磁场的高斯定理磁场的高斯定理第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学条形磁铁周围的磁感应线第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学直线电流的磁感应线 磁感应线为一组环绕磁感应线为一组环绕电流的闭合曲线。电流的闭合曲线。第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学圆电流的磁感应线I第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学通电螺线管的磁感应线磁感应线的
25、特点:磁感应线的特点:磁感应线的特点:磁感应线的特点:1、磁感应线是连续的,不会相交。、磁感应线是连续的,不会相交。(与静电场相同与静电场相同)2、磁感应线是围绕电流的一组闭合曲线,没有起点,、磁感应线是围绕电流的一组闭合曲线,没有起点,没有终点。没有终点。(与静电场不同与静电场不同)第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学磁通量磁通量m m:通过磁场中某一曲面的磁感应线条数。通过磁场中某一曲面的磁感应线条数。单位:“韦伯”(Wb)9.3.29.3.2、磁、磁通量通量第第9 9章章 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场大学物理学A第三篇第三篇 电磁学电磁学9.
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