稳恒磁场教材课件

静电荷运动电荷稳恒电流静电场稳恒磁场电场磁场

学习方法：类比法静电荷运动电荷稳恒电流静电场稳恒磁场电场磁场学习本章研究磁场的产生，磁场的基本规律以及磁场与介质的相互作用。磁感应强度是描述磁场的基本物理量。高斯定理和安培环路定理是反映磁场性质的基本规律。磁场对载流导线的作用——安培力和力矩磁场对运动电荷的作用——洛仑兹力磁介质的磁化——铁磁质第九章稳恒磁场本章研究磁场的产生，磁场的基本规律以及磁场与介质的相互作用。一、基本磁现象SNSNISN同极相斥异极相吸电流的磁效应1820年奥斯特天然磁石9.1磁场磁感应强度

一、基本磁现象SNSNISN同极相斥异极相吸电流的磁效应电子束NS+电子束NS+

磁现象：1、天然磁体周围有磁场；2、通电导线周围有磁场；3、电子束周围有磁场。表现为：使小磁针偏转表现为：相互吸引排斥偏转等4、通电线能使小磁针偏转；5、磁体的磁场能给通电线以力的作用；6、通电导线之间有力的作用；7、磁体的磁场能给通电线圈以力矩作用；8、通电线圈之间有力的作用；9、天然磁体能使电子束偏转。磁现象：表现为：表现为：4安培指出：（物质磁性假说）NS天然磁性的产生也是由于磁体内部有电流流动。分子电流电荷的运动是一切磁现象的根源。运动电荷磁场对运动电荷有磁力作用磁场安培指出：（物质磁性假说）NS天然磁性的产生也是由于磁体内部二、磁感应强度电流（或磁铁）磁场电流（或磁铁）磁场对外的重要表现为：1、磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力作用。2、载流导体在磁场中移动时，磁力将对载流导体作功，表明磁场具有能量。对线圈有：磁矩法线方向的单位矢量与电流流向成右旋关系I0载流平面线圈法线方向的规定二、磁感应强度电流（或磁铁）磁场电流（或磁铁）磁场对外的I0利用实验线圈定义B的图示当实验线圈从平衡位置转过900时，线圈所受磁力矩为最大。引入磁感应强度矢量磁场中某点处磁感应强度的方向与该点处实验线圈在稳定平衡位置时的正法线方向相同；磁感应强度的量值等于具有单位磁矩的实验线圈所受到的最大磁力矩。I0利用实验线圈定义B的图示当实验线圈从平衡位置转过900时1.磁力线(磁感应线或线)方向：切线大小：三、磁通量方向:小磁针在该点的N极指向单位:T(特斯拉)(高斯)大小:磁力+磁感应强度1.磁力线(磁感应线或线)方向：切线大小：I直线电流的磁力线圆电流的磁力线I通电螺线管的磁力线1、每一条磁力线都是环绕电流的闭合曲线，都与闭合电路互相套合，因此磁场是涡旋场。磁力线是无头无尾的闭合回线。2、任意两条磁力线在空间不相交。3、磁力线的环绕方向与电流方向之间可以分别用右手定则表示。I直线电流的磁力线圆电流的磁力线I通电螺线管的磁力线1、每一2、磁通量——穿过磁场中任一曲面的磁力线的条数2、磁通量——穿过磁场中任一曲面的磁力线的条数四、磁场中的高斯定理穿过任意闭合曲面的磁通量为零磁感应强度的散度磁场是无源场。高斯定理的微分形式四、磁场中的高斯定理穿过任意闭合曲面的磁通量为零磁感应强度的2.在均匀磁场

中，过YOZ平面内面积为S的磁通量。1.求均匀磁场中半球面的磁通量课堂练习2.在均匀磁场中，过YOZ平面内面积为S的磁通量。1.IP.五、毕奥---萨伐尔定律1、稳恒电流的磁场电流元对一段载流导线方向判断：的方向垂直于电流元与组成的平面，和及三矢量满足矢量叉乘关系。

——比奥-萨伐尔定律IP.五、毕奥---萨伐尔定律1、稳恒电流的磁场电流元对2、运动电荷的磁场IS电流电荷定向运动电流元载流子总数其中电荷密度速率截面积运动电荷产生的磁场2、运动电荷的磁场IS电流电荷定向运动电流元载流子总数其中电第九章-稳恒磁场教材课件XY六、毕奥---萨伐尔定律的应用1.载流直导线的磁场已知：真空中I、1、2、a建立坐标系OXY任取电流元大小方向aP统一积分变量XY六、毕奥---萨伐尔定律的应用1.载流直导线的磁XYaP或：XYaP或：无限长载流直导线半无限长载流直导线直导线延长线上+无限长载流直导线半无限长载流直导线直导线延长线上+pR2.圆形电流轴线上的磁场已知:R、I，求轴线上P点的磁感应强度。建立坐标系OXY任取电流元分析对称性、写出分量式大小方向pR2.圆形电流轴线上的磁场已知:R、I，求轴线上P统一积分变量结论方向：右手螺旋法则大小：xpR统一积分变量结论方向：右手螺旋法则大小：xpR载流圆环载流圆弧II圆心角圆心角载流圆环载流圆弧II圆心角圆心角3、载流直螺线管内部的磁场................pSLn3、载流直螺线管内部的磁场................p讨论：1、若即无限长的螺线管，则有2、对长直螺线管的端点（上图中A1、A2点）则有A1、A2点磁感应强度讨论：1、若即无限长的螺线管，则有例9-1、均匀带电圆盘已知：q、R、圆盘绕轴线匀速旋转。解：如图取半径为r,宽为dr的环带。qRr求圆心处的及圆盘的磁矩元电流其中例9-1、均匀带电圆盘已知：q、R、圆盘绕轴线匀速旋转。qRr线圈磁矩如图取微元方向：qRr线圈磁矩如图取微元方向：一、安培环路定理静电场Irl1、圆形积分回路9-2安培环路定理改变电流方向磁场一、安培环路定理静电场Irl1、圆形积分回路9-2安培2、任意积分回路.3、回路不环绕电流.2、任意积分回路.3、回路不环绕电流.安培环路定理说明：电流取正时与环路成右旋关系如图在真空中的稳恒电流磁场中，磁感应强度沿任意闭合曲线的线积分（也称的环流），等于穿过该闭合曲线的所有电流强度（即穿过以闭合曲线为边界的任意曲面的电流强度）的代数和的倍。即：安培环路定理说明：如图在真空中的稳恒电流磁场由环路内外电流产生由环路内电流决定环路所包围的电流由环路内外电流产生由环路内电流决定环路所包围的电流位置移动不变不变改变位置移动不变不变改变静电场稳恒磁场磁场没有保守性，它是非保守场，或无势场电场有保守性，它是保守场，或有势场电力线起于正电荷、止于负电荷。静电场是有源场磁力线闭合、无自由磁荷磁场是无源场静电场稳恒磁场磁场没有保守性，它是电场有保守性，它是电力线起IR二、安培环路定理的应用当场源分布具有高度对称性时，利用安培环路定理计算磁感应强度1.无限长载流圆柱导体的磁场分布分析对称性电流分布——轴对称磁场分布——轴对称已知：I、R电流沿轴向，在截面上均匀分布IR二、安培环路定理的应用当场源分布具有高度对称性时，利用安的方向判断如下：的方向判断如下：IR作积分环路并计算环流如图利用安培环路定理求IR作积分环路并计算环流如图利用安培环路定理求作积分环路并计算环流如图利用安培环路定理求IR作积分环路并计算环流如图利用安培环路定理求IR

结论：无限长载流圆柱导体。已知：I、R结论：无限长载流圆柱导体。已知：I、R讨论：长直载流圆柱面。已知：I、RrRO讨论：长直载流圆柱面。已知：I、RrRO电场、磁场中典型结论的比较外内内外长直圆柱面电荷均匀分布电流均匀分布长直圆柱体长直线电场、磁场中典型结论的比较外内内外长直圆柱面电荷均匀分布电流已知：I、n(单位长度导线匝数)分析对称性管内磁力线平行于管轴管外靠近管壁处磁场为零...............2.长直载流螺线管的磁场分布已知：I、n(单位长度导线匝数)分析对称性管内磁力线平行于管计算环流利用安培环路定理求...............计算环流利用安培环路定理求.............已知：I、N、R1、R2

N——导线总匝数分析对称性磁力线分布如图作积分回路如图方向右手螺旋rR1R2..+++++++++++++++++++++++++++++..................................3.环形载流螺线管的磁场分布已知：I、N、R1、R2分析对称性磁力线分布如图作..BrO计算环流利用安培环路定理求rR1R2..+++++++++++++++++++++++++++++...................................BrO计算环流利用安培环路定理求rR1R2..+++++9-3磁场对载流导线的作用一、安培定律安培力：电流元在磁场中受到的磁力安培定律方向判断

右手螺旋载流导线受到的磁力大小9-3磁场对载流导线的作用一、安培定律安培力：电流讨论图示为相互垂直的两个电流元它们之间的相互作用力电流元所受作用力电流元所受作用力讨论图示为相互垂直的两个电流元它们之间的相互作用力电流元B×取电流元受力大小方向积分结论方向均匀磁场中载流直导线所受安培力B×取电流元受力大小方向积分结论方向均匀磁场中载流直导线所第九章-稳恒磁场教材课件导线1、2单位长度上所受的磁力为：二、无限长两平行载流直导线间的相互作用力a电流单位“安培”的定义：放在真空中的两条无限长平行直导线，各通有相等的稳恒电流，当导线相距1米，每一导线每米长度上受力为2×10-7牛顿时，各导线中的电流强度为1安培。导线1、2单位长度上二、无限长两平行载流直导线间的相互作用力解：例9-2：求一无限长直载流导线的磁场对另一直载流导线ab的作用力。已知：I1、I2、d、LLxdba解：例9-2：求一无限长直载流导线的磁场对另一直载流Lxdb三、磁场对载流线圈的作用.三、磁场对载流线圈的作用.如果线圈为N匝讨论.（1）如果线圈为N匝讨论.（1）（2）（3）（2）（3）9-4

磁场对运动电荷的作用一、洛仑兹力运动电荷在磁场中所受的磁场力9-4磁场对运动电荷的作用一、洛仑兹力运动电荷在磁场中所大小方向力与速度方向垂直。不能改变速度大小，只能改变速度方向。粒子在同时存在电场和磁场的空间运动时，其受的合力：电场力磁场力——洛仑兹关系式大小方向力与速度方向垂直。粒子在同时存在电场和磁场的空间运动二、带电粒子在磁场中的运动粒子做直线运动粒子做匀速圆周运动××××××××××××××××××××××××××××××二、带电粒子在磁场中的运动粒子做直线运动粒子做匀速圆周运qR螺距h

：qR螺距h：RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR一、磁介质的分类9-6

磁介质磁介质——能与磁场产生相互作用的物质磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化（1）顺磁质（3）铁磁质（2）抗磁质（4）超导体根据的大小和方向可将磁介质分为四大类附加磁场磁导率——描述不同磁介质磁化后对原外磁场的影响一、磁介质的分类9-6磁介质磁介质——能与磁场产生相二.顺磁质与抗磁质的磁化分子磁矩轨道磁矩自旋磁矩——电子绕核的轨道运动——电子本身自旋等效于圆电流——分子电流1、顺磁质及其磁化分子的固有磁矩不为零无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。分子磁矩二.顺磁质与抗磁质的磁化分子磁矩轨道磁矩自旋磁矩——电子绕核有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子2、抗磁质及其磁化分子的固有磁矩为零在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩电子绕核的轨道运动电子本身自旋外磁场场作用下产生附加磁矩电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。总与外磁场方向反向2、抗磁质及其磁化分子的固有磁矩为零在外磁场中，抗磁质分子会定义:磁化强度*三、磁化强度Is——磁化电流js——沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）磁化强度M在量值上等于磁化面电流密度。定义:磁化强度*三、磁化强度Is——磁化电流js——沿轴线单abcd取如图所示的积分环路abcda:磁化强度对闭合回路L的线积分，等于穿过以L为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。四、磁介质中的安培环路定理1、磁化强度与磁化电流的关系abcd取如图所示的积分环路abcda:磁化强S2.磁介质中的高斯定理通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零磁介质中的高斯定理S2.磁介质中的高斯定理通过磁场中任一闭合曲面的总磁通量为零3、磁介质中的安培环路定理定义磁场强度在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即环流）等于包围在环路内各传导电流电流的代数和，而与磁化电流无关。单位：安培/米(A/m)3、磁介质中的安培环路定理定义磁场强度在稳恒磁五、磁场强度、磁感应强度的关系介质的磁导率五、磁场强度、磁感应强度的关系介质的磁导率电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理电介质中的磁介质中的称为相对电容率或相对介电常量之间的关系之间的关系称为相对磁导率磁导率称为相对电容率之间的关系之间的关系称为相对磁导率磁导率例1一环形螺线管，管内充满磁导率为μ，相对磁导率为μr的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为n。

求：环内的磁场强度和磁感应强度解：例1一环形螺线管，管内充满磁导率为μ，相对磁导率为μ例2一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流

I

均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为μ，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。解：IR例2一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流I均匀分在分界面上H

连续,B不连续IR在分界面上H连续,B不连续IR1、磁化曲线装置：环形螺绕环;铁磁质Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；由得出曲线铁磁质的不一定是个常数，它是的函数六、铁磁质原理:励磁电流I;

用安培定理得H1、磁化曲线装置：环形螺绕环;铁磁质Fe,Co,Ni及实验初始磁化曲线.......矫顽力饱和磁感应强度磁滞回线剩磁2、磁滞回线初始磁.......矫顽力饱和磁感应强度磁滞回线剩磁2、B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的B与磁化的历史有关。磁滞回线--不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的3、磁畴根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”多晶磁畴结构示意图3、磁畴根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间显示磁畴结构的铁粉图形显示磁畴结构的铁粉图形纯铁硅铁钴三种铁磁性物质的磁畴纯铁硅铁钴三种铁磁性物质的磁畴Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向Si-Fe单晶箭头表示临界温度(铁磁质的居里