大学物理第九章磁场

大学物理第九章磁场目录磁场基本概念与性质恒定电流产生磁场磁场对运动电荷作用铁磁物质与磁化现象电磁感应与自感互感现象电磁波简介与麦克斯韦方程组磁场基本概念与性质01磁场定义及描述方法磁场是由运动电荷或电流产生的特殊物质形态，存在于磁体或通电螺线管等周围空间中。描述磁场的方法主要有两种：一种是通过磁感应强度来描述磁场的强弱和方向；另一种是通过磁力线来形象地表示磁场的分布和方向。0102磁感应强度与方向在国际单位制中，磁感应强度的方向定义为小磁针静止时N极所指的方向，即磁场中某点的磁场方向。磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，用符号B表示，单位为特斯拉（T）。磁力线是描述磁场分布和方向的曲线，其切线方向表示该点的磁场方向。磁力线的特点包括：不相交、不中断、不闭合（在磁体外部），以及磁力线的疏密程度表示磁场的强弱。磁力线及其特点在磁场中，不同物质具有不同的磁性表现，可分为铁磁性、顺磁性、抗磁性等。铁磁性物质在磁场中会被强烈吸引，具有较大的磁矩；顺磁性物质在磁场中会被轻微吸引，具有较小的磁矩；抗磁性物质在磁场中会被排斥，具有负的磁矩。物质在磁场中的性质与其内部电子的自旋和轨道运动有关，这些运动产生的磁矩与外加磁场相互作用，导致物质表现出不同的磁性。磁场中物质性质恒定电流产生磁场02奥斯特实验首次揭示了电流能够产生磁场的现象，为电磁学的发展奠定了基础。安培环路定理描述了磁场与电流之间的关系，即磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径所包围面积的电流的总和。该定理为计算恒定电流产生的磁场提供了重要方法。奥斯特实验与安培环路定理长直导线周围的磁场方向遵循右手螺旋定则，即右手握住导线，大拇指指向电流方向，四指弯曲方向即为磁场方向。距离长直导线r处的磁场强度B与电流I成正比，与距离r成反比，即B=μ0I/2πr（μ0为真空磁导率）。长直导线周围磁场分布磁场强度磁场方向磁场方向圆形载流导线周围的磁场方向同样遵循右手螺旋定则，即右手握住导线，大拇指指向电流方向，四指弯曲方向即为磁场方向。磁场强度在圆形载流导线的轴线上，距离圆心r处的磁场强度B与电流I和导线半径R有关，具体表达式为B=μ0IR/2(R^2+r^2)^(3/2)。圆形载流导线周围磁场分布螺线管内部和外部磁场特点螺线管内部磁场螺线管内部的磁场近似于均匀磁场，其方向与螺线管的轴线平行。当螺线管通以恒定电流时，内部磁场强度B与电流I、螺线管匝数N和长度L有关，具体表达式为B=μ0NI/L。螺线管外部磁场螺线管外部的磁场分布与长直导线相似，即随着距离的增加而逐渐减弱。在螺线管外部靠近轴线处，磁场强度较大；而在远离轴线处，磁场强度迅速减小。磁场对运动电荷作用03$F=qvBsintheta$，其中$q$是电荷量，$v$是电荷速度，$B$是磁感应强度，$theta$是电荷速度与磁场方向的夹角。洛伦兹力公式根据左手定则，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向（或正电荷运动方向），这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向（或运动电荷所受洛伦兹力的方向）。方向判断洛伦兹力公式及方向判断匀速圆周运动当带电粒子以速度$v$垂直于磁感线射入匀强磁场时，洛伦兹力提供向心力，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。螺旋运动当带电粒子以速度$v$与磁感线成一定角度射入匀强磁场时，粒子在匀强磁场中做螺旋运动。带电粒子在均匀磁场中运动规律霍尔效应原理及应用当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。霍尔效应原理利用霍尔效应可以测量磁场、电流、电子浓度等物理量。在半导体上产生的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的霍尔元件，是以半导体为材料而制成的磁电转换器件。霍尔效应应用铁磁物质与磁化现象04铁磁物质主要分为铁、钴、镍及其合金等。铁磁物质的分类具有高的磁导率，能够被强烈磁化并保留磁性。铁磁物质的特点铁磁物质分类及特点VS铁磁物质内部存在许多小区域，每个小区域内的原子磁矩自发平行排列，形成磁畴。自发磁化现象在无外加磁场时，由于热运动，铁磁物质内部各磁畴的磁矩方向随机分布，整体不显磁性。当温度降低至某一特定值以下时，铁磁物质内部相邻磁畴的磁矩会自发地转向同一方向，形成自发磁化现象。磁畴结构磁畴结构和自发磁化现象010203当外加磁场逐渐增强时，铁磁物质的磁感应强度B随磁场强度H的增加而迅速上升，形成初始磁化曲线。初始磁化曲线随着外加磁场继续增强，铁磁物质的磁感应强度B逐渐趋于饱和，此时铁磁物质被完全磁化。饱和磁化现象当外加磁场消失后，铁磁物质仍保留一定的磁性，称为剩磁。要使铁磁物质完全退磁，需要施加反向磁场，这个反向磁场称为矫顽力。剩磁和矫顽力铁磁物质在外加磁场中行为当铁磁物质被加热到某一温度以上时，其磁性会突然消失，这种现象称为退磁现象。铁磁物质开始失去自发磁性的温度称为居里温度。不同种类的铁磁物质具有不同的居里温度。例如，铁的居里温度为770°C左右。退磁现象居里温度退磁现象和居里温度电磁感应与自感互感现象05法拉第电磁感应定律的内容当导体回路在变化的磁场中或在恒定的磁场中作相对运动时，导体回路中就会产生感应电动势，其大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比。法拉第电磁感应定律的应用用于计算感应电动势的大小，从而分析电磁感应现象。法拉第电磁感应定律楞次定律的内容感应电流的方向总是要使感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律的应用判断感应电流的方向，分析电磁感应现象。楞次定律与法拉第电磁感应定律的关系两者都是描述电磁感应现象的规律，但侧重点不同。法拉第电磁感应定律侧重于定量计算，而楞次定律侧重于定性分析。楞次定律及其应用自感系数的定义表示线圈产生自感现象能力大小的物理量，用L表示，单位是亨利（H）。自感系数的计算L=Φ/I，其中Φ为线圈中的磁通量，I为线圈中的电流。自感现象的定义当一个线圈中的电流发生变化时，它所产生的磁通量也会发生变化，从而在线圈自身中产生感应电动势的现象。自感现象和自感系数互感现象和互感系数两个相邻的线圈，当一个线圈中的电流发生变化时，它所产生的磁通量会穿过另一个线圈，从而在另一个线圈中产生感应电动势的现象。互感系数的定义表示两个线圈之间互感现象能力大小的物理量，用M表示，单位是亨利（H）。互感系数的计算M=(dΦ2)/(dI1)，其中Φ2为线圈2中的磁通量，I1为线圈1中的电流。互感现象的定义电磁波简介与麦克斯韦方程组06产生条件变化的电场和磁场相互激发，形成电磁波。要点一要点二传播特性电磁波在真空中以光速传播，不需要介质支持；具有横波性质，电场和磁场振动方向与传播方向垂直；遵守叠加原理，多个电磁波在同一空间传播时互不干扰。电磁波产生条件及传播特性内容麦克斯韦方程组包括四个基本方程，分别描述电荷如何产生电场（高斯定律）、磁单极子不存在（高斯磁定律）、电流和时变电场怎样产生磁场（麦克斯韦-安培定律）、以及时变磁场如何产生电场（法拉第感应定律）。意义麦克斯韦方程组统一了电学和磁学的基本规律，揭示了电磁波的存在和传播规律，为电磁理论的发展奠定了基础。麦克斯韦方程组内容和意义通信领域利用无线电波进行远距离通信，如手机、广播、电视等。电磁波谱按照频率从