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1、1 11-2 磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度 一 、 磁現(xiàn)象 (magnetic phenomenon) 磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)比電現(xiàn)象早很多。東漢王充“司 南勺”，北宋沈括航海用指南針“四大發(fā)明”。 同號(hào)磁極互相排斥 ， 異號(hào)磁極互相吸引 。 磁極周 圍存在磁場(chǎng) ， 處于磁場(chǎng)中的其它磁極或運(yùn)動(dòng)電荷 ， 都要受到磁場(chǎng)的作用力 ， 此作用力稱為 磁場(chǎng)力或磁 力 。 磁場(chǎng)力是通過(guò)磁場(chǎng)這種特殊物質(zhì)傳遞的 。 磁鐵磁性最強(qiáng)區(qū)域稱為 磁極 。磁鐵指向北方的磁 極為 磁北極或 N極 ；指向南方的為 磁南極或 S極。 2 磁的基本現(xiàn)象 司南勺 （ 1）具有磁性，能吸引鐵、 鈷、鎳等物質(zhì)。 （ 2）具有磁極，分磁北極 N和磁南極 S

2、。 （ 3）磁極之間存在相互作用，同性相斥，異性相吸。 （ 4）磁極不能單獨(dú)存在。 永磁體的性質(zhì)： 3 在磁極區(qū)域，磁性較強(qiáng) 5.11 磁偏角 地球是一個(gè)巨大 的永磁體。 4 1820年 4月，丹麥物理學(xué) 家?jiàn)W斯特 (H.C.Oersted， 1777 1851） 發(fā)現(xiàn)了小磁針 在通電導(dǎo)線周圍受到磁力作 用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 磁鐵對(duì)載流導(dǎo)線、載流導(dǎo)線之間或 載流線圈之間也有相互作用。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 5 磁現(xiàn)象與電荷的運(yùn)動(dòng)有著密切的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)電 荷既能產(chǎn)生磁效應(yīng)，也能受磁力的作用。 結(jié)論： 1821年，安培提出了關(guān)于物質(zhì)磁性的本質(zhì)假說(shuō)： 一切磁現(xiàn)象的根源是電流。磁性物質(zhì)的分子中 存在回路電流，稱為分子電

3、流。分子電流相當(dāng)于基 元磁鐵，物質(zhì)對(duì)外顯示出磁性，取決于物質(zhì)中分子 電流對(duì)外界的磁效應(yīng)的總和。 6 1820年奧斯特 發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，人們才認(rèn)識(shí) 到磁與電的密切聯(lián)系。 1820年 安培 發(fā)現(xiàn)磁體對(duì)電流作用和電流之間相 互作用，提出 一切磁現(xiàn)象都起源于電流，一切物質(zhì) 的磁性都起源于構(gòu)成物質(zhì)的分子中存在的環(huán)形電流。 這種環(huán)形電流稱為 分子電流 。 安培分子電流假說(shuō) 與近代關(guān)于原子和分子結(jié)構(gòu) 的認(rèn)識(shí)相吻合。原子是由原子核和核外電子組成 的，電子的繞核運(yùn)動(dòng)就形成了經(jīng)典概念的電流。 7 物質(zhì)磁性起源 不能完全用經(jīng)典理論來(lái)描述 。 量子理論表明 ， 核外電子對(duì)磁性有一定的貢獻(xiàn) ， 但物質(zhì)磁性的 主要來(lái)

4、源是電子的自旋磁矩 ， 鐵磁 物質(zhì)的強(qiáng)烈磁性則與相鄰原子間 電子自旋磁矩 的 交換作用有關(guān) 。 都不能用經(jīng)典概念予以描述 。 磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象有很多類似，在自然界有獨(dú) 立存在的電荷，卻至今沒(méi)找到獨(dú)立存在的磁荷， 即所謂“磁單極子”。 尋找 “磁單極子” 是當(dāng)今科學(xué)界面臨的重大 課題之一。 8 磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度 運(yùn)動(dòng)電荷 磁場(chǎng) 運(yùn)動(dòng)電荷 恒定磁場(chǎng)： 磁場(chǎng)分布不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，一般可 由恒定電流激發(fā)而在電流周圍空間產(chǎn)生。 反映磁場(chǎng)性質(zhì)的物理量： 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 磁感應(yīng)強(qiáng)度 的方向： B 小磁針在場(chǎng)點(diǎn)處時(shí)其 N 極的指向。 9 實(shí)驗(yàn)： 1. 點(diǎn)電荷 q0以同一速率 v沿不同方向運(yùn)動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： v

5、 F F 的 大 小 隨 v 而 變 化 （ 4）電荷 q0垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)， m a xFF （ 3）電荷 q0沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 0F B v F 0q （ 1） （ 2） 10 2. 在垂直于磁場(chǎng)方向改變運(yùn)動(dòng)電荷的速率 v，改變點(diǎn) 電荷的電量 q0。 （ 1）在磁場(chǎng)中同一場(chǎng)點(diǎn)， Fmax/q0v 為一恒量 ； （ 2） 在 磁場(chǎng)中 不同 場(chǎng) 點(diǎn)， Fmax/q0v 的量值不同。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 定義磁感應(yīng)強(qiáng)度 的大?。?B 國(guó)際單位制單位：特斯拉（ T） m a x 0 FB q v 11 帶電粒子在磁場(chǎng)中沿 其他方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力 垂直 于 與該特定方向 所組成的平面 . v 當(dāng)帶電粒子

6、在磁場(chǎng)中 垂直于此特定方向運(yùn)動(dòng)時(shí) 受力最大 . FFF m a x vq Fmax 大小與 無(wú)關(guān) v,q vqF m a x 12 二 、 磁感應(yīng)強(qiáng)度 (magnetic induction) 1.任一點(diǎn) P的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 當(dāng)試探電荷 q0以速度 v沿 某特定直線 通過(guò)磁場(chǎng)中 的點(diǎn) P時(shí)，作用于它的 洛倫茲力總等于零 ，與試 探電荷的電量和運(yùn)動(dòng)速率無(wú)關(guān)。這條特定直線是 點(diǎn) P的磁場(chǎng)自身的屬性，稱為 零力線 。 把這條直線規(guī)定為點(diǎn) P的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 。 + q v B LF 用磁感應(yīng)強(qiáng)度描述磁場(chǎng)， 以矢量 表示。 B 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的磁場(chǎng)力稱為 洛倫茲力。 13 2. 點(diǎn) P的磁感

7、應(yīng)強(qiáng)度的大小 3. 點(diǎn) P的磁感應(yīng)強(qiáng)度的指向 B、 v、 F 滿足右螺旋關(guān)系 ： 電荷速度與該 特定方向垂直 時(shí)受到的磁力最大。 點(diǎn) P磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 B F q v = 0 正試探電荷所受洛倫茲 力大小為 F=q0vBsin s in 0 vq FB BvqF 0 v B 單位 特斯拉 (T),NsC-1m-1,Vsm-2,NA-1m-1。 v F mF 14 人體磁場(chǎng)極弱， 如心電激發(fā)磁場(chǎng) 約 3 10-10T。 測(cè) 人體內(nèi)磁場(chǎng)分布 可診斷疾病，圖 示磁共振圖像 。 地球磁場(chǎng)約 5 10-5T。 大型電磁鐵磁 場(chǎng)可大于 2T。 超導(dǎo)磁體能激 發(fā)高達(dá) 25T磁 場(chǎng)；原子核附 近可達(dá) 104

8、T； 脈沖星表面高 達(dá) 108T。 一些磁場(chǎng)的大?。?15 16 三、磁感應(yīng)線和磁通量 磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁場(chǎng)方向是確定的， 磁感線不會(huì)相交 。載流導(dǎo)線周圍磁 感線都是圍繞電流的 閉合曲線 ， 沒(méi)有起點(diǎn)，也沒(méi)有終點(diǎn) 。 磁感應(yīng)線 (magnetic induction line)形象表示磁場(chǎng) 分布狀況： 曲線上每點(diǎn) 切線方向與該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng) 度 B方向一致 ；在與磁場(chǎng)垂直的單位面積上穿過(guò) 曲線的條數(shù) ， 與該處 B的大小成正比 ， 即疏密程 度反映出 B的大小 。 一簇磁感應(yīng)線圍成的管狀區(qū)域稱為 磁感應(yīng)管 。 B I 17 磁感應(yīng)線 （ 1） 磁感應(yīng)線上任一點(diǎn)的切線方向都與該點(diǎn)的磁 感應(yīng)強(qiáng)度的方向一致。

9、 （ 2） 垂直通過(guò)單位面積的磁感應(yīng)線條數(shù)等于該處 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的大小。 磁感應(yīng)線（ B線）： B 18 磁感線 1.畫法 (1)磁感線上某點(diǎn)的切向和該點(diǎn)磁感強(qiáng)度 B 的方向一致 ； (2)通過(guò)垂直于 B的單位面積的磁感線的條數(shù) 等于該點(diǎn) B的大小。磁場(chǎng)強(qiáng)處磁感線密。 2.性質(zhì) (1)兩條磁感線不能相交； (2)磁感線是環(huán)繞電流的 閉合曲線 。 19 I 磁感線 I 3.典型磁感線 (1)載流長(zhǎng)直導(dǎo)線 磁場(chǎng)的磁感線 右手：拇指 I方向； 四指 -磁感線方向 (2)載流圓線圈磁 場(chǎng)的磁感線 右手：拇指 I方向； 四指 -磁感線方向 20 I I (3)載流直螺旋線圈 磁場(chǎng)的磁感線 右手握住螺

10、旋線圈： 四指 I方向； 拇指 -線圈內(nèi)部的磁 感線方向 (4)載流螺繞環(huán)磁 場(chǎng)的磁感線 右手握住螺繞環(huán)： 四指 I方向； 拇指 -環(huán)內(nèi)的磁感線方向。 磁感應(yīng)線的性質(zhì) 與電流套鏈 閉合曲線 (磁單極子不存在 ) 互不相交 方向與電流成右手螺旋關(guān)系 I I B B 22 圖片：典型磁感線 23 長(zhǎng)直電流 周圍的磁感應(yīng)線，在垂直 于電流的平面內(nèi)磁感應(yīng)線是一系列 同 心圓 ，圓心在電流與平面的交點(diǎn)上。 B I 磁感線和電流滿足右手螺旋法則。 為描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，規(guī)定磁場(chǎng)中某點(diǎn)處垂直于 B 矢量的單位面積上通過(guò)的磁感線數(shù)目 (磁感線密度 )， 等于該點(diǎn) B 的數(shù)值。 圓電流 周圍的磁感應(yīng)線，在與圓面正交

11、并過(guò)其 直徑的平面內(nèi)，磁感應(yīng)線是兩簇環(huán)繞電流的曲線。 24 任意曲面 S 的 磁通量 (magnetic flux) 定義為， 曲面上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B與該處面元 dS的標(biāo)積 BdS 在整個(gè)曲面 S上的代數(shù)和，即 S SB d B n P S 在國(guó)際單位制中，磁通量 的單位是 Tm2，也稱為 Wb (韋伯 )。 2m1T1Wb1 25 對(duì)閉合曲面，規(guī)定正法線方向垂直于曲面向外。 當(dāng)磁感線從曲面內(nèi)穿出時(shí)，磁通量為正，而當(dāng)磁感 線從曲面外穿入時(shí)，磁通量為負(fù)。 B n 在不均勻磁場(chǎng)中，通過(guò) 任意面積元的磁通量： 在均勻磁場(chǎng)中通過(guò)面積 S 的磁通量為： cosBS SBSB dc o sdd SBSB S dc o sd 26 S BdS 0 磁場(chǎng)的高斯定理 (磁通連續(xù)原理 )： 在任何磁場(chǎng)中，通過(guò)任意封閉曲面的磁通量恒為零。 因?yàn)榇鸥芯€是閉合曲線，穿入封閉曲面的磁感線條數(shù) 和穿出封閉曲面的磁感線條數(shù)一定相等，故通過(guò)封閉 曲面的磁通量恒為零。 B線閉合，無(wú)頭無(wú)尾，這說(shuō)明不存在單獨(dú)磁荷 (即磁單極子不存在 )。 27 點(diǎn)擊深色鍵返回原處 (H.C.Oersted , 17771851)