第7章稳恒磁场(改).ppt

1、第7章 稳恒磁场,磁约束核聚变研究装置,1、永磁体,(1)永磁体具有磁性，能吸引铁、镍、钴等物质,(2)永磁体具有磁极，分别为磁南极S、磁北极N,7-1 磁感应强度 磁场的高斯定理,一、基本磁现象,(3)同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引,(4)不存在磁单极子,(1).1820年 奥斯特实验,意义,揭示了电现象与磁现象的联系 宣告电磁学作为一个统一学科诞生 此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮,2、电流的磁效应,(2).相关实验,平行电流之间相互作用的演示,通电导线受马蹄形磁铁作用而运动,小结：类似于静止电荷之间的相互作用力是通过电场来传递的，上述的各种相互作用都是通过磁场来传递的。,组成磁铁的最小

2、单元就是分子环流，若这样一些分子环流定向地排列起来，在宏观上就会显示出N、S极来,3、磁现象的本质,(1).磁现象与电荷的运动有密切关系，运动电荷既能产生磁效应，也能受磁力的作用。,(2).安培分子电流假说,小结：磁极或电流之间的相互作用可归结为运动电荷之间的相互作用，而这种相互作用是通过磁场来传递的。,二. 磁感应强度,(1)方向：,(2)大小,与小磁针N 极在磁场中某点的稳定指向一致.,磁感应强度大小定义为：,单位 特斯拉,1. 磁感应线（磁力线）,规定,(1) 方向：磁力线切线方向为磁感应强度,的单位面积上穿过的磁力线条数为磁感,的方向,(2) 大小：垂直,应强度,的大小,三. 磁场的高

3、斯定理,(2) 与电流相互套连，服从右手螺旋定则,(3) 磁力线不相交,磁感应线的特征,(1) 无头无尾的闭合曲线,2. 磁通量,磁通量：通过磁场中某给定面的磁感线的总条数,穿过整个曲面的磁通量为：,对封闭曲面，规定外法向为正方向。,进入的磁感线,穿出的磁感线,磁场的高斯定理,穿过磁场中任意封闭曲面的磁通量为零：,磁场是无源场,磁感线闭合成环，无头无尾,1、磁场对运动电荷的作用洛仑兹力:,四、带电粒子在磁场中的运动,大小：,方向：垂直于（ ）平面,方向,方向,特点：不改变 大小，只改变 方向.不对 做功.,+,q,2. 带电粒子在磁场中的运动,在匀强磁场中的三种情况：,粒子做匀速直线运动,（2

4、）,粒子做匀速圆周运动,回旋周期或回旋频率与带电粒子的速率及回旋半径无关, 一般情况,带电粒子作螺旋运动, 磁聚焦原理,粒子 源A, 很小时,接收 器A,发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚, 磁约束原理,在非均匀磁场中，速度方向与磁场不同的带电粒子，也要作螺旋运动，但半径和螺距都将不断发生变化,磁场增强，运动半径减少,极光,由于地磁场俘获带电粒子而出现的现象,在地磁两极附近 由于磁感线与地面垂直 外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内 它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光,绚丽多彩的极光,应用：回旋加速器,用于产生高能粒子的装置，其结构为金属双 D 形盒，在其上加有

5、磁场和交变的电场。将一粒子置于双 D形盒的缝隙处，在电场的作用下，能量不断增大，成为高能粒子后引出轰击靶.,劳伦斯（19011958）：美国物理学家，因为发明和发展了回旋加速器，以及用它得到人工放射性元素获得1939年诺贝尔物理奖。 右图是真空室直径为10.2cm的第一台回旋加速器。,历史之旅,目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为2公里。产生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。,世界第二大回旋加速器在欧洲加速中心，加速器分布在法国和瑞士两国的边界，加速器在瑞士，储能环在法国。产生的高能粒子能量为280亿电子伏特。,7-2 安培定律,通电导线受马蹄形磁铁作用而运动,一

6、、安培定律,一个运动电荷q 受到的洛伦兹力是, 安培定律,一个电流元 所受的磁场力为,电流元,整个载流导线所受安培力,讨论,(1) 安培定律是矢量表述式,(2) 若磁场为匀强场,例 均匀磁场中任意形状导线所受磁场力,其所受安培力,方向垂直于屏幕向里,在导线上取电流元,结论,均匀磁场中,一段任意形状载流导线所受的磁场力等效于两个端点相连的直导线受到的磁场力,安培力大小,方向：垂直屏幕向里,推论1: 匀强磁场中，载流直导线所受磁场力,推论2: 匀强磁场中，任意形状的闭合载流线圈所受磁 场力为零,练习：,1.求下列各图中电流 I 在磁场中所受的力,受力,方向向右,例：在磁感强度为B的均匀磁场中，通过

7、一半径为R的半圆导线中的电流为I。若导线所在平面与B垂直。求该导线所受的安培力。,x,y,由电流分布的对称性，分析导线受力的对称性。,解：在导线上取电流元，,Idl,由安培定律，,由几何关系，,安培力F的方向：y轴正方向。,x,y,Idl,d,一、磁场的叠加原理,7-3 毕奥萨伐尔定律,二、毕奥萨伐尔定律,(电流元在真空中产生的磁场),矢量式：,大小：,方向：,：真空磁导率,任意载流导线在真空中 P点处的总磁感应强度,三、毕奥萨伐尔定律的应用,例1 直线电流的磁场,已知：,求： 分布,解：,各电流元在P 点 同向,统一变量：,:场点到直电流距离,:终点到场点矢径与I方向的夹角,:起点到场点矢径

8、与I方向的夹角,1. 无限长直电流：,3. 任意形状直导线,I,1,2,2. 直导线延长线上的点,例2 载流圆线圈的磁场,求中心O点的磁感应强度,方向满足右手定则,例3 求右图中O 点的磁感应强度,例,求两平行无限长直导线之间的相互作用力？,解,电流 2 处于电流 1 的磁场中,同时，电流 1 处于电流 2 的磁场中，,电流 2 中单位长度上受的安培力,电流 1 中单位长度上受的安培力,静电场:,磁 场:,7-3 安培环路定理,环路定理,高斯定理,1、选在垂直于长直载流导线的平面内，以导线与平面交点O为圆心，半径为 r 的圆周路径 L，其指向与电流成右旋关系,以无限长直电流的磁场为例验证,一、安培环路定理,与回路绕行方向成右旋关系的电流对环流的贡献为正，反之为负。,回路绕向反方向时：,统一为：,o,o,2、选择在垂直于导线平面内围绕电流的任意闭合路径,3、环路中不包围电流的情况,对一对线元来说,环路不包围电流,以上结果对任意形状的稳恒电流均成立.,多 电 流 情 况,安培环路定理,安培环路定理,在真空的稳恒磁场中，磁感应强度 沿任一闭合路径的积分的值，等于 乘以该闭合路径所包围的各电流的代数和.,注意,电流 正负的规定： 与 成