1、第十三章磁场,主要内容：描述磁场的物理量磁感强度；电流激发磁场的规律毕奥萨伐尔定律；反映磁场性质的基本定理磁场的高斯定理和安培环路定理；以及磁场对运动电荷的作用力洛仑兹力和磁场对电流的作用力安培力。,13.1 基本磁现象13.2 磁场 13.3 洛仑兹力13.4 带电粒子在电场和磁场中的运动13.5 磁场对电流的作用13.6 磁场对载流线圈的作用13.7 电流的磁场毕奥沙伐尔定律及其应用13.8 安培环路定律13.9 运动电荷的磁场13.10 安培的定义,13.1 基本磁现象,生物磁现象: 核磁共振层析成像(CT) 、鸽子回家和海龟回游地球磁现象：宇宙磁现象：太阳磁场与太阳黑子原子核磁现象 ：
2、基本粒子磁现象 ：电子磁矩、磁单极子,奥斯特（1777-1851）的发现：丹麦人， 发现电流磁效应的第一人。,电流的磁效应:,I,N,S,在观察的领域内，机遇只偏爱那种有准备的头脑。 巴斯德,1)第一个揭示出了电与磁之间的内在联系。2)为电流计、电报和电机的发明制造开辟了道路。3)为电磁场理论的发展奠定了基础。,安培(A.M.Amp，17751836年) ：法国物理学家，对数学和化学也有贡献。生于里昂一个富商家庭。安培在法国长大时，正是法国社会变革时期，他几乎没受过正规教育，他的父亲信奉JJ卢梭(植物学家)的教育思想，供给他大量图书，令其走自学道路，于是他博览群书，吸取营养；,安培分子电流假说
3、,分子电流假说 安培接受了法国数学家菲涅尔的意见,从微观去考虑分子电流来认识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于1821年,提出了著名的“分子电流假说”，成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：磁性物质内存在无数微小的“分子电流”，它们永不衰竭地沿着闭合的路径流动，从而形成一个个小磁体。 安培分子电流假设告诉我们:物质微粒内部,存在一种环形电流，即分子电流。分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，当分子电流的取向一致时，整个物体体现磁性，若分子电流取向杂乱无章，那么整个物体不显磁性。当磁体的温度升高时，分子无规则运动加剧，分子电流取向变得不一致，磁性应当减弱。,13.2 磁场,在磁
4、场中任意一点 P 处磁感应强度 B 矢量可用运动点电荷q 在磁场中某点所受的磁场力来定义：,F = qv B ,F 称为洛伦兹力 , 磁感应强度 B 的大小为 其中: q -运动点电荷的电荷量 v -运动点电荷的速率.,磁力线:,磁力线在空间不会相交;磁力线都是环绕电流的闭合曲线,没有起点,没有终点.,磁通量,在磁场中穿过任一面积元的磁通量,也就是磁感应线的条数。定义为:,磁高斯定理,磁场中通过任一封闭曲面的磁通量一定为零。,磁场中的高斯定理说明磁场的性质：从闭合面穿出的磁通量为正，穿入的磁通量为负。由于磁感线是闭合线，那么穿过任一封闭曲面的磁通量一定为零。,13.3 洛仑兹力,带电粒子在磁场
5、中运动要受洛伦兹力(Lorentz force) 的作用。 从实验知 q v ,在均匀磁场中，如带电粒子的速度垂直磁场方向，则F 的方向垂直磁场和速度方向，所以带电粒子的速度大小不变，只改变方向, 因而作匀速圆周运动.洛伦兹力 起着向心力的作用。 如带电粒子的速度和磁场成任意角度时，粒子作螺旋线运动: 圆周运动半径 旋转一周时间 螺旋线螺距,霍耳效应,通有电流 I 的金属或半导体板置于磁感强度为 B 的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂直如图，在金属板的第三对表面间就显示出横向电势差 UH 的现象称为霍耳效应(Hall effect)。U H 就称为霍耳电势差。 实验测定，霍耳电势差的大小，和
6、电流 I 及磁感强度B成正比，而与板的厚度d 成反比。即霍耳电势差 ， 其中: 称为霍耳系数，式中 nq为载流子数密度和其电荷量，与材料性质有关。,13.5 磁场对电流的作用,当除I 的大小外其它参数不变时, F 正比于I。,当除B 的大小外其它参数不变时, F 正比于B。,通过导线的电流,所以上式可写成,若用矢量式表示安培安律，则有,有限长载流导线所受的安培力，等于各电流元所受安培力的矢量叠加，即,13.6 磁场对载流线圈的作用,这两个力大小相等，方向亦相反，但不在同一直线上，对线圈要产生磁力矩,由于,式中,则有,或,13.6 磁场对载流线圈的作用,载流 I 的刚性平面线圈 S 在均匀磁场
7、B 中受磁力矩其中 称为磁矩, I 为刚性平面线圈通过的电流。,当0时，相应M0，这时线圈处于平衡。如给线圈一微扰，线圈会回到原来位置，称为稳定平衡。线圈的位置，处于稳定平衡状态。当时，相应M0，这时线圈处于平衡。但如给线圈一微扰，线圈不回到原来位置，称为不稳定平衡。线圈原来的位置，为不稳定平衡状态。,13.7 电流的磁场：毕奥沙伐尔定律及其应用,叫做真空磁导率，其值为,磁场的叠加原理,毕奥沙伐尔定律的应用,.长直电流的磁场：在真空中有一通有电流的长直导线。试求此长直导线附近任意一点处的磁感强度。已知点与长直导线间的垂直距离为。,如果载流直导线可视为一“无限长”直导线，,.圆电流轴线上的磁场：
8、,设在真空中，有一半径为的载流导线，通过的电流为，通常称作圆电流。试求通过圆心并垂直于圆形导线平面的轴线上任意点处的磁感强度。,当时，则圆心点处的磁感强度的数值为,方向垂直于圆形导线平面，沿轴正向。,13.8 安培环路定律,在真空的稳恒磁场中，磁感强度B沿任一闭合路径的积分（即B的环流）的值，等于乘以该闭合路径所包围的各电流的代数和，即,规定: 当电流的方向与所取积分的绕行方向满足右手螺旋关系时, 电流为正, 反之为负。,长直螺线管内的磁感应强度：,在图中作一矩形闭合路径。则,根据安培环路定理，有,得,得：,环形螺线管内的磁场 ：,图示为一螺绕环，环内为真空。 环上均匀地密绕有匝线圈，线圈中的
9、电流为。 由于环上的线圈绕得很密集，环外的磁场很微弱，可以略去不计，磁场几乎全部集中在螺绕环内，此时，呈对称分布的电流使磁场也具对称性，导致环内的磁感线形成同心圆，且同一圆周上各点的磁感强度的大小相等，方向处处和环面平行。,如果表示螺绕环中心线所在的圆形闭合路径的长度，那么，圆环中心线上一点处的磁感强度为,I = qnvs,电流元 Idl 产生的磁感应强度为,每个运动电荷产生的磁感应强度为,dl,13.9 运动电荷的磁场,13.10 安培的定义,本章重点：,掌握磁感强度的概念。理解毕奥萨伐尔定律。能计算一些简单问题中的磁感强度。理解磁场高斯定理和安培环路定理。理解用安培环路定理计算磁感应强度的条件和方法。理解安培定律和洛伦兹力公式。了解磁矩的概念。能计算简单几何形状载流导体和载流平面线圈在均匀磁场中或在无限长直载流导线产生的非均匀磁场中所受的力和力矩。能分析点电荷在均匀电磁场中的受力和运动。,
