大学物理D-06稳恒磁场.ppt

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1、1,第6章 稳恒磁场,（Magnetic Field),2,Introduction,从地下到地面、从地面到太空，磁场无所不在，人类和整个自然界就是在一个范围广泛的磁场中繁衍和进化。正因为如此，现代磁学的理论和应用不仅对物理学关系巨大，对现代农业和生物学也有重要的影响。本章将阐述恒定磁场的基本理论，首先引入描述磁场的物理量磁感应强度，然后介绍毕奥萨伐尔定律、磁高斯定律和安培环路定律以及磁介质的性质。在此基础上介绍一些磁学的应用，,3,学时：6,结构框图,4,1理解用磁力或磁力矩定义磁感应强度的不同形式；2掌握毕奥萨伐尔定律，并能用于计算一些简单情况下电流的磁场分布；3掌握磁通量、磁场中的高斯定

2、理，并能由此说明磁场的性质；4掌握安培环路定理，并能用于计算具有一定对称性分布的电流的磁场；5理解磁矩的概念，会计算形状简单的载流导体在均匀磁场中或在无限长载流导线产生的非均匀磁场中所受的力以及载流平面线圈在均匀磁场中所受的力矩，并能解简单的力学问题；6会计算带电粒子在均匀磁场中的螺旋运动。会用洛仑兹力分析霍耳效应及回旋加速器、质谱仪的工作原理。,教学目的和要求,5,理解毕奥-沙伐定律，熟练掌握用毕奥-沙伐定律定律和叠加原理计算一些特殊电流的磁感应强度。掌握安培环路定律及应用（掌握思想，记住几种特殊电流的磁感应强度，不考虑计算磁感应强度）。理解洛伦兹力和安培定律。,教学重点,6,6.0 恒定电

3、流与欧姆定律的微分形式,6.0.1 电流 电流密度,电流为通过截面S 的电荷随时间的变化率,为电子的漂移速度大小,单位:1A,7,Quick Quiz 6.1,(a),(b),下图中通过两截面S的电荷数目相同，电流是否相同？,8,几种典型的电流分布,粗细均匀的金属导体,粗细不均匀的金属导线,半球形接地电极附近的电流,9,几种典型的电流分布,电阻法勘探矿藏时的电流,同轴电缆中的漏电流,可见，导体中不同部分电流分布不同，电流强度I 不能细致反映导体中各点电流分布。,10,大小规定：等于在单位时间内过该点附近垂直于正电荷运动方向的单位面积的电荷(通过垂直于电流方向的单位面积的电流）,电流密度,11,

4、恒 定 电 流,若闭合曲面 S 内的电荷不随时间而变化，有,单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷，等于此时间内闭合曲面里电荷的减少量.,6.0.2 电流的连续性方程 恒定电流,12,1）在恒定电流情况下，导体中电荷分布不随时间变化形成恒定电场；2）恒定电场与静电场具有相似性质（高斯定理和环路定理），恒定电场可引入电势的概念；3）恒定电场的存在伴随能量的转换.,恒 定 电 流,13,电源 电动势,理工v06-电动势和非静电力4m,14,非静电力:能不断分离正负电荷使正电荷逆静电场力方向运动.,电源：提供非静电力的装置.,非静电电场强度:为单位正电荷所受的非静电力.,电动势的定义：单位正电荷绕闭合

5、回路运动一周，非静电力所做的功.,电动势,15,电源电动势大小等于将单位正电荷从负极经电源内部移至正极时非静电力所作的功.,电源电动势,16,6.1.1 稳恒磁场,1.中国是磁的故乡,中华民族很早就认识到了磁现象，指南针是中国古代四大发明之一，古代中国在磁的发现、发明和应用在许多方面都居于世界首位，可以说中国是磁的故乡。,6.1 稳恒电流的磁场,17,在春秋战国时期发明了最早的指示南北方向的指南器司南。司南是利用天然磁石制成汤勺形，由其勺柄指示南方。,18,在北宋，先后制成了比司南先进的指南鱼和指南针。北宋的沈括在其著作梦溪笔谈(公元1086年)中记述了4种指南针的用法：将指南针放在指甲上的指

6、爪法(1)，将指南针放在碗口边上的碗唇法(2)，将指南针悬挂在新蚕丝上并用蜡粘住的缕悬法(3)，将指南针横贯灯尺而浮水面的浮针法(4)。还记述了指南针并不完全指南，而是略微东。因此，沈括最早提出了磁偏角。,19,在未采用指南针前，航海是白昼依靠太阳和夜里依靠恒星的位置来确定方向的,天文导航受天气影响很大，而指南针及其装有指示方位的罗盘则不受天气影响.指南针发明以后，很快就在航海上得到了应用。到明朝初年，郑和率领的远航船队使用的航海图包括指南针罗盘导航的针路图和天文导航的过洋牵星图。明清两代的海船尾部已设有专放罗盘指南针的针房(图)。,20,2.磁学的研究历程,西方对磁现象的已经可以追溯到富兰克

7、林，他发现雷电可以使钢针磁化。,库仑和吉尔伯特也都做出了贡献,解开电磁之间相互联系的划时代的试验是奥斯特电流磁效应的发现,法拉第提出了磁场和磁感应线的概念,21,22,在高技术领域，磁技术在扮演着重要的角色。磁悬浮列车就是利用磁相互作用而悬浮的。其产生磁场的磁体一般是永磁体或超导磁体或它们组合的复合磁体。,动画1：磁悬浮现象,动画2：磁悬浮现象,动画3：超导磁悬浮,23,在生物磁学方面应用最成功的是核磁共振层析成像又称核磁共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和计算机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素，也即这种核素的化学元素的浓度分布图像

8、。左图为核磁共振成像机，右图是脑瘤病人头部的CT成像和X射线成像,24,4.磁感应强度（magnetic induction）的定义,磁场由磁感应强度（）表示。实验发现，电荷在磁场中沿某一特定直线方向运动时不受力，此直线方向与小磁针静止时的取向一致。规定，小磁针静止时北极的指向为磁感应强度的方向。,3.磁场,25,当电荷运动方向偏离磁场方向时，磁场力开始出现，磁场力的方向垂直于正电荷运动的方向 和磁场 构成的平面，指向服从右手定则。,洛伦兹力,26,当运动方向与磁场方向垂直时，磁场力达到最大，最大的磁场力和电荷电量与速率的乘积成正比。,大小与 无关,定义,磁感应强度的单位是特斯拉（Tesla)

9、,方向：由正电荷所受力Fm的方向，按右手螺旋法则，沿小于的角度转向正电荷运动速度V的方向，这时螺旋前进的方向便是该点B的方向。,（6-1）,27,规定：曲线上每一点的切线方向就是该点的磁感强度 B 的方向，曲线的疏密程度表示该点的磁感强度 B 的大小.,4.磁感应线,磁感应线磁场的定性表示,磁感应线（Magnetic induction line）是法拉第提出的，用于形象的表示磁场。,28,29,几种磁场的磁感应强度（T）,30,Quick Quiz 6.2,一正电荷在磁场中运动，已知速度v沿Ox方向，若它在磁场中受力有如下几种情况，试指出各种情况下磁感应强度的方向。（a）电荷不受力；（b）F

10、的方向沿Oz轴方向，且此时磁场力的值最大；,31,毕奥-萨伐尔定律 Biot-Savart Law,电流元,32,1.毕奥萨伐尔定律,(电流元在空间产生的磁场),真空磁导率,工v06-3301电流元磁场.,（6-3）,33,+,+,+,1、5 点：,3、7点：,2、4、6、8 点：,毕奥萨伐尔定律,Quick Quiz 6.3,34,电 流,电荷运动,磁 场,设电流元，横截面积S，单位体积内有n个定向运动的正电荷,每个电荷电量为q，定向速度为v。,3.运动电荷的磁场,毕 萨定律,35,单位时间内通过横截面S的电量即为电流强度I:,电流元在P点产生的磁感应强度,设电流元内共有dN个以速度v运动的

11、带电粒子：,每个带电量为q的粒子以速度v通过电流元所在位置时，在P点产生的磁感应强度大小为：,36,其方向根据右手螺旋法则，垂直、组成的平面。q为正，为 的方向；q为负，与 的方向相反。,矢量式：,工v06-3302运动电荷磁场,（6-5）,37,写出电流元 在所求点处的磁感应强度，然后按照磁感应强度的叠加原理求出所有电流元在该点磁感应强度的矢量和。,先将载流导体分割成许多电流元,实际计算时要应先建立合适的坐标系，求各电流元的分量式。即电流元产生的磁场方向不同时，应先求出各分量 然后再对各分量积分，,4.毕奥萨伐尔定律的应用,38,例1 载流长直导线的磁场.,解,方向均沿 x 轴的负方向,例题

12、6-1直导线,（6-8）,39,的方向沿 x 轴的负方向.,无限长载流长直导线的磁场.,（6-8）,40,电流与磁感强度成右螺旋关系,半无限长载流长直导线的磁场,无限长载流长直导线的磁场,41,求：一段圆弧圆电流在其曲率中心处的磁场。,例题,方向,解：,Example 6.4-圆弧磁场,I,a,b,42,向里为正参考方向,例：如图所示，求O点磁感应强度。,解：,Example 6.5-磁场计算,43,+,x,圆弧,Example 6.6-磁场计算,44,1 计算下面各点的有关物理量,（1）载流导线在o点的磁感强度,Example 6.7-磁场计算,45,（2）P，Q点的磁感强度,46,例：如图

13、所示，求O点磁感应强度。,解：,向外为正参考方向,47,例6-2 载流圆线圈轴线上的磁场 设有圆形线圈L，半径为R，通以电流I。求轴线上一点磁感应强度。,在场点P的磁感强度大小为,解：,例题6-3 圆环磁场,48,6-3 毕奥萨伐尔定律,圆形载流导线的磁场,建立坐标分割电流。,由毕奥萨伐尔定律：,49,50,3）,4）,2）的方向不变(和 成右螺旋关系）,1）若线圈有 匝,圆弧,（6-13）,51,磁偶极矩,说明：只有当圆形电流的面积S很小，或场点距圆电流很远时，才能把圆电流叫做磁偶极子.,例2中圆电流磁感强度公式也可写成,52,（1）在圆心处,（2）在远离线圈处,载流线圈的磁矩,引入,若线圈

14、有N匝,53,6.2 稳恒磁场的基本特性,54,1.磁通量（Magnetic flux）,6.2.1 磁场的高斯定理,55,11-2 磁感应强度 磁场的高斯定理,磁通量：通过某一曲面的磁感线数为通过此曲面的磁通量.,单位,56,例 如图载流长直导线的电流为,试求通过矩形面积的磁通量.,解 先求，对变磁场给出 后积分求,Example 6.6磁通量,57,1.磁通量（Magnetic flux）,单位,磁场的高斯定理,58,对于闭合曲面,2.磁高斯定理,磁场线既没有源头，也没有尾闾 磁场是无源场（涡旋场）,磁单极（magnetic monopole）是不存在的.,59,小结,1.毕奥萨伐尔定律,

15、(电流元在空间产生的磁场),真空磁导率,（6-3）,60,一段圆弧圆电流在其曲率中心处的磁场。,61,磁通量（Magnetic flux）,单位,62,静电场是保守场,6.2.2 安培环路定理（Amperes circuital theorem）,(6-19),63,(4)磁场是有旋场,（5）安培环路定理对于任意形状的闭合电流（伸向无限远的电流）均成立.,（2）B为环路内外所有电流产生的磁场，而只有 环路内的电流对磁场的环流有影响。,（1）对积分环路的形状没有任何限制,例,64,安培环路定理,磁应强度B的环流等于穿过以L为边界的任意曲面的电流的代数和的 倍。,空间所有电流共同产生的,与L套连的

16、电流,代数和（与L绕行方向成右螺电流取正）,65,2 如图，两个完全相同的回路 和，回路内包围有无限长直电流 和，但在图 中 外又有一无限长直电流，图中 和 是回路上两位置相同的点，请判断,66,答案：(c),67,问 1）是否与回路 外电流有关？,2）若，是否回路 上各处？是否回路 内无电流穿过？,Quick Quiz 6.4,68,Example,69,证明,70,对一对线元来说,环路不包围电流，磁场环流为零,环路环绕的方向反向,若环路中不包围电流,71,安培环路定律,一般情况,72,(1)分析磁场的对称性；,(2)过场点选择适当的路径，使得 沿此环路的积 分易于计算：的量值恒定，与 的夹

17、角处处相等；,(3)求出环路积分；,(4)用右手螺旋定则确定所选定的回路包围电流的正负，最后由磁场的安培环路定理求出磁感应强度 的大小。,应用安培环路定理的解题步骤：,6.2.3 安培环路定理的应用举例,73,74,例1：求无限长圆柱面电流的磁场分布。,解：对圆柱外任一点P(),过P 点做一圆形积分回路，沿此回路磁场的环流为,对圆柱内任一点P(),Example,75,例2 无限长载流圆柱体的磁场,解 1）对称性分析,2）选取回路,76,的方向与 成右螺旋,77,例2.求长直密绕螺线管内磁场,例题6-6,78,课堂作业,79,小结,安培环路定理,磁应强度B的环流等于穿过以L为边界的任意曲面的电

18、流的代数和的 倍。,空间所有电流共同产生的,与L套连的电流,代数和（与L绕行方向成右螺电流取正）,80,的方向与 成右螺旋,81,6.3 磁场对运动电荷的作用,6.3.1 洛仑兹力,电场力,磁场力（洛仑兹力）,即以右手四指 由经小于 的角弯向，拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向.,大小：,方向：的方向,（右手螺旋定则）,82,大小：,方向：垂直于（）平面,运动电荷在电场和磁场中受的力,83,电子的反粒子 电子偶,显示正电子存在的云室照片及其摹描图,1930年狄拉克预言自然界存在正电子,swf,84,匀速直线运动,磁力提供向心力。,周期与速度无关,匀速率圆周运动,轨迹？,1.带电粒子在均匀磁

19、场中运动,磁场圆周,罗仑次力c,（6-21）,（6-22）,Yzh-swf,85,=螺旋运动,匀速率圆周运动+匀速直线运动,螺 距,半径,周期,螺旋运动,86,运动电荷在电磁场中受力,若受合力为0，则,右偏转,左偏转,匀速直线,2.带电粒子在电场、磁场中的运动和应用,swf,87,离子选择器swf,带正电的粒子在电场、磁场中的运动,Quick Quiz 6.5,88,3.霍尔效应(Hall effect),垂直于 的方向出现电势差 霍耳效应,霍尔效应swf,89,在通有电流的导体板上，垂直于板面施加磁场，则在导体板上会出现横向电势差，此现象称为霍耳效应。该电势差称霍耳电势差。,霍耳在1879年

20、发现的,动画：霍耳效应,90,6-5 带电粒子在磁场中所受作用及其运动,霍耳电压,91,6-5 带电粒子在磁场中所受作用及其运动,注意：霍尔系数的正负决定于载流子的正负：,金属导体：自由电子的n很大，其霍耳系数很小，相应的霍耳电压很小；半导体：载流子n低得多，半导体的霍耳系数比金属导体大得多，所以半导体能产生很强的霍耳效应。,92,6-5 带电粒子在磁场中所受作用及其运动,霍耳效应的应用,2）测量磁场,霍耳电压,1）判断半导体的类型,3）磁流体发电,霍尔效应,93,磁流体发电,94,量子霍耳效应简介,霍耳电阻：,霍耳电阻率：,1985年，德国的 冯 克里芩获诺贝尔物理奖,95,1998年 劳克

21、林、施特默、崔琦因发现电子的分数量子霍耳效应获诺贝尔物理奖,96,6.3.2 安培力,1.安培定律,洛伦兹力,由于自由电子与晶格之间的相互作用，使导线在宏观上看起来受到了磁场的作用力.,安培定律 磁场对电流元的作用力,97,有限长载流导线所受的安培力,安培定律,意义 磁场对电流元作用的力，在数值上等于电流元 的大小、电流元所在处的磁感强度 大小以及电流元和磁感应强度之间的夹角 的正弦之乘积,垂直于 和 所组成的平面,且 与 同向.,98,注意：载流直导线在均匀磁场中受力：,一般而言，各电流元受安培力大小与方向都不一样，则求安培力时应将其分解为坐标分量后，再求和。,99,解 取一段电流元,结论

22、任意平面载流导线在均匀磁场中所受的力,与其始点和终点相同的载流直导线所受的磁场力相同.,例 2 求 如图不规则的平面载流导线在均匀磁场中所受的力，已知 和.,Example-e,100,例题6-9 电流单位“安培”的定义,_两无限长平行载流直导线间的相互作用,101,6-6 磁场对载流导体的作用,国际单位制中电流单位安培的定义,在真空中两平行长直导线相距 1 m，通有大小相等、方向相同的电流，当两导线每单位长度上的吸引力为 时，规定这时的电流为 1 A（安培）.,问 若两直导线电流方向相反二者之间的作用力如何？,可得,102,3.图示一通以电流 的无限长直导线一侧放置一通 有电流 的等腰直角三

23、角形线圈，且与直导线共面，已知一直角边与导线平行，相距为b，直角边长为a，求线圈中各导线受力,解：用安培定律 分别计算各导线受力，,Example-e,103,方向：垂直导线，与直导线相吸,B导线（处于不均匀磁场中），则,导线处于相同的磁场 中，则,方向：垂直于CB,104,AC导线处于不均匀磁场中,方向：图示,因为,方向：,105,如果载流导线所处为非均匀磁场，可取电流元，每段受力 可分解为,然后，求出合力即可。,例8-9在磁感强度为B的均匀磁场中，通过一半径为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。,例题-6-8,106,各电流元受力可分解为x方向和y方向，

24、由电流分布的对称性，电流元各段在x方向分力的总和为零，只有y方向分力对合力有贡献，,解：,坐标oxy 如图所示,各段电流元受到的安培力数值上都等于,方向沿各自半径离开圆心向外，整个半圆导线受安培力为,107,由安培定律,由几何关系,上两式代入,合力F的方向：y轴正方向。,结果表明：半圆形载流导线上所受的力与其两个端点相连的直导线所受到的力相等.,108,由本题结果可推论：一个任意弯曲载流导线上所受的磁场力等效于弯曲导线始、终两点间直导线通以等大电流时在同样磁场中所受磁场力。,安培力应用,磁悬浮列车车厢下部装有电磁铁，当电磁铁通电被钢轨吸引时就悬浮。列车上还安装一系列极性不变的电磁铁，钢轨内侧装

25、有两排推进线圈，线圈通有交变电流，总使前方线圈对列车磁体产生吸引力，后方线圈对列车产生排斥力,109,这一推一吸的合力便驱使列车高速前进。强大的磁力可使列车悬浮110cm，与轨道脱离接触，消除了列车运行时与轨道的摩擦阻力，使列车速度可达400km/s,中国第一辆载人磁悬浮列车,理工v06-磁悬浮列车wmv,110,上海磁悬浮列车,111,如图 均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOP,例题6-10 均匀磁场对载流线圈的作用,112,线圈有N匝时,113,稳定平衡,不稳定平衡,1）方向与 相同,2）方向相反,3）方向垂直,力矩最大,114,结论:均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为

26、,磁矩,115,磁电式电流计原理,实验测定 游丝的反抗力矩与线圈转过的角度成正比.,116,1.电流同向时,A）吸引 B）排斥,2.电流反向时,平行电流swf,Quick Quiz 6.7,轨道炮swf,117,例2 圆柱形磁铁 N 极上方水平放置一个载流导线环，求其受力。,由图可知：圆环受的总磁力的方向在铅直方向，其大小为：,已知在导线所在处磁场B的方向与竖直方向成角,Example,118,带电粒子在电场和磁场中运动举例,1.速度选择器,速度选择-swf,119,2.质谱仪,120,The blue-white arc in this photograph indicatesthe cir

27、cular path followed by an electron beam moving in a magnetic field.The vessel contains gas at very low pressure,and the beam is made visible as the electrons collide with the gas atoms,which then emit visible light.The magnetic field is produced by two coils(not shown).The apparatus an be used to me

28、asure the ratio e/mefor the electron.,121,质谱仪是利用电场和磁场的各种组合达到把电荷量相同而质量不同的带电粒子分开的目的，是分析同位素的重要仪器，也是测定离子比荷的重要仪器。,从离子源所产生的离子经过狭缝S1与S2之间的加速电场后,进入P1与P2两板之间的狭缝,在P1和P2两板之间有一均匀电场E,同时还有垂直向外的均匀磁场B。带电粒子同时受到方向相反的电场力和磁场力的作用，显然，只有所受的这两种力大小相等的粒子才能通过两板间狭缝，否则，就落在两板上而不能通过。这一装置叫速度选择器。,122,6-5 带电粒子在磁场中所受作用及其运动,1932年劳伦斯研制

29、第一台回旋加速器的D型室.,此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.,3.回旋加速器,123,回旋加速器是用来获得高能带电粒子的设备。其基本性能是使带电粒子在磁场的作用下作回旋运动，同时使带电粒子在电场的作用下得到加速。,加速器,动画2：感应加速器,124,(1)装置,电磁铁,产生强大磁场,D形真空盒,放在真空室内，接高频交变电压，使粒子旋转加速,(2)原理,离子源产生的带电粒子经电场加速进入D1磁场使粒子在盒内做圆运动，,带电粒子源产生带电粒子,125,高频交变电源使D型盒间缝隙处产生高频交变电场使带电粒子每经过缝隙处就被加速一次。带电粒子在盒内运

30、动时只受磁场作用速率不变。在一半盒内运动时间为,该时间与运动半径无关，只要高频电源频率和带电粒子在盒内旋转频率一样，就可保证其每次经过缝隙处被加速。,在粒子被加速到近光速时，考虑相对论效应，粒子在盒内运动时间变长，旋转频率下降，此时使高频电场频率与带电粒子在盒内旋转频率同步变化，就仍可保证粒子被加速，这种回旋加速器叫同步回旋加速器。,126,127,直径2000米的美国费米国家实验室的粒子加速器,128,大型强子对撞机不仅是世界最大的粒子加速器，同时也是世界最大的机器。这个27公里长的粒子加速器，位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里，建设耗资超过60亿美

31、元。目前它即将开始第一次粒子束流试验，这次大型强子对撞机试运行是粒子物理学史上规模最大的一次试验。来自数十个国家和地区的二千多名物理学家参与了这一项目。研究人员希望大型强子对撞机能发现粒子物理学的“圣杯”希格斯玻色子的存在。希格斯玻色子由英国科学家彼得希格斯于上世纪年代提出，完美地解释了物质质量之源，是所谓“标准模型”粒子物理学理论中最后一种未被证实的粒子，也称“上帝粒子”。,129,这是欧洲粒子物理研究所和瑞士与法国周围地区的鸟瞰图。3个环清晰可见，位于右下方的最小的那个环表明质子同步加速器的地下位置；中间的环是超级质子加速器(SPS)所在位置，这个加速器的辐射范围是7公里；而那个最大的环（

32、圆周27公里）是以前的大型正负电子对撞机(LEP)加速器的所在地，背景则是部分日内瓦湖,130,工作人员正在对大型强子对撞机隧道内的磁体列队进行检查，必须保证每个磁体都处在已经设计好了的精确位置，因为这样才能对光束的路径进行精确控制。LHC的调试最关键的一项工作是要把安装在隧道里磁体列队的温度降低到零下271.25摄氏度，以便在超导状态让磁体产生强磁场，从而对高能量的质子束流进行偏转和聚焦。,131,螺距:,动画：电子的螺旋运动,4磁聚焦,132,磁聚焦,一束速度大小相近，方向与磁感应强度夹角很小的带电粒子流从同一点出发，由于平行磁场速度分量基本相等，因而螺距基本相等，这样，各带电粒子绕行一周

33、后将汇聚于一点，类似于光学透镜的光聚焦现象，称磁聚焦。广泛应用于电真空器件中对电子的聚焦。,显象管中电子的磁聚焦装置示意图,磁聚焦swf,133,在均匀磁场中某点 A 发射一束初速相差不大的带电粒子,它们的 与 之间的夹角 不尽相同,但都较小,这些粒子沿半径不同的螺旋线运动,因螺距近似相等,都相交于屏上同一点,此现象称之为磁聚焦.,动画1：磁聚焦,动画2：磁聚焦,134,聚焦磁极,135,减少粒子的纵向前进速度，使粒子运动方向反转。,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,纵向磁约束,推广磁约束,动画：电子在非均匀磁场中的运动,136,能约束

34、运动带电粒子的磁场分布称为磁镜约束 磁瓶。其常用于受控热核聚变实验研究。,137,磁约束装置（磁瓶）,138,托卡马克装置原理示意图,托卡马克原理、装置,139,当来自外层空间的大量粒子(宇宙射线)进入地球磁场范围,粒子将绕地磁感应线作螺旋运动,因为在近两极处地磁场增强,作螺旋运动的粒子将被折回,结果粒子在沿磁感应线的区域内来回振荡,形成一个带电粒子区域,称范艾仑辐射带,此带相对地球作对称分布。,范艾仑辐射带：宇宙中的磁约束现象,范艾仑(Van Allen)辐射带swf,140,包围地球外围的范艾仑辐射带,1958年人造卫星的探测发现,范艾仑辐射带有两层,内层在距地面800-4000Km处,外

35、层在60000Km处。,141,北极光的产生是由于有时太阳黑子活动，太阳喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使大气激发，然后辐射发光，从而出现美丽的北极光。,在靠近两极的一些国家和地区,如美国的阿拉斯加,亚洲的西伯利亚,欧洲的挪威、瑞典和芬兰等国家，夜晚的天空会出现五颜六色绚丽多彩的发光现象，有的呈弧形，有的呈弥漫状的斑块，有的呈大而均匀的发光面等它们被统称做极光，发生在北极的称北极光，发生在南极的称南极光。,142,美丽的极光,143,在研究受控热核反应实验中，常常需要把等离子体约束在一定空间区域，等离子体温度高达几千万甚至几亿摄氏度，固体材料在

36、这样的高温下都将被汽化，因此，可以利用上述带电粒子在非均匀磁场运动的特点，将等离子体约束在一定的空间。下面我们将介绍一种等离体磁约束装置托卡马克。,等离子体物质的第四态,等离子是由大量的自由带电粒子以及部分中性粒子所组成的体系。宏观上一般呈电中性，导电率较高，其运动形式主要受电磁力支配。例如，在地球以外，围绕地球的电离层、太阳及其它恒星等是天然的等离子体，而日光灯管中发光的电离气体和实验室中高温电离气体都是人造等离子体。,144,5.磁力的功,1.、载流直导线在磁场中运动时磁力所做的功。,做功,此过程磁通量改变,载流导线在磁场中运动时，磁力所做的功等于电流乘以通过回路所环绕的面积内磁通量的增量

37、。,145,2.、磁力矩的功,当 I 不随时间变化,正向磁通增加磁力做正功,反向磁通减少磁力做正功,根据电流方向，穿过回路的磁通是反向的,146,1.磁介质,定义：,在磁场作用下能发生变化；并能反过来影响磁场的媒质。磁介质,磁化：磁介质在外磁场作用下发生的变化。,即，原来介质没有磁性的变为有磁性。,磁化的原因：,产生了束缚(磁化、分布)电流；其并不伴随着带电粒子作宏观位移。,6.4 磁场与物质的相互作用,6.4.1 磁介质,147,有磁介质存在时的总磁场,有磁介质后的总场：,没有磁介质(即真空)存在时的磁场为 传导电流产生的。,磁介质放入磁场中被磁化后产生的磁场为 磁化电流产生的附加场。,包括

38、介质内外,分类：,以长直螺线管为例：,真空：,若管内充满均匀磁介质时的总场为,148,充有磁介质，有三种情况，分成三类：,此种磁介质称为顺磁质,此种磁介质称为抗磁质,此种磁介质称为铁磁质或强顺磁质,强磁质,弱磁质,149,由表可知：顺磁质和抗磁质为弱磁性物质，其磁化率很小，r1。即与真空的相对磁导率十分接近。因此，一般在讨论电流磁场的问题中，常可略去抗磁质、顺磁质磁化的影响。,150,2.介质磁化的微观解释,电子磁矩和分子磁矩,分子由原子组成；,电子的自旋,环绕原子核的高速旋转,一个电子电流环,磁矩,定义：电子轨道磁矩为电子磁矩,分子中所有电子(不是自由电子)电流环的对外产生磁效应的总效果等效

39、为一个电流环分子电流,分子(固有)磁矩：,151,分子磁矩与电子角速度的关系,分子磁矩：,由于电子带负电，,电子绕核旋转周期：,电子电流环的电流：,当,152,A）抗磁质:每个分子的分子磁矩,无外磁场：,类似电介质中：无极分子,宏观上，不呈磁性；,抗磁质内：,有外磁场：各，由于电子受指向核的洛仑兹力 作用，使电子的 增大，产生附加分子磁矩 与 反向,磁化,153,无外磁场时抗磁质分子磁矩为零,抗磁质内磁场,抗磁质的磁化,154,B）顺磁质:每个分子的分子磁矩,无外磁场：,类似电介质中：有极分子,宏观上，不呈磁性；,有外磁场：各 受磁力矩 作用，,顺磁质内：,155,156,为了表征物质的宏观磁

40、性或介质的磁化程度，定义磁化强度矢量：,6.4.2 磁场强度,分子固有磁矩矢量和,附加磁矩矢量和,磁介质中单位体积内分子磁矩的矢量和。,与介质特性、温度与统计规律有关。,单位：安培/米(A/m),157,顺磁质：,抗磁质：,顺磁质：,可忽略,抗磁质：,真空：,158,磁化电流,在外场中,在外场中,说明：均匀介质在磁化时，要出现磁化面电流。,159,介质表面出现磁化电流,160,分子磁矩,（单位体积分子磁矩数）,161,4 磁导率为1的无限长圆柱形导线，半径为R1，其中均匀地通有电流I，在导线外包一层磁导率为2的圆柱形不导电的磁介质，其外半径为R2，如图所示。试求：(1)磁场强度和磁感应强度的分

41、布；(2)半径为R1和R2处表面上磁化面电流线密度。,解：(1)由安培环路定理,6-32,162,163,有磁介质时的安培环路定理,磁场强度,164,相对磁导率,磁 导 率,各向同性磁介质,磁介质中的安培环路定理,165,铁磁质,1.磁畴理论,铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。,磁畴(magnetic domain)：原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴自发的磁化区域。磁畴大小约为10171021个原子/10-18米3。,在外磁场；磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。,在外磁场 时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度地转向外磁场方向。,附加磁场,理工v06-铁磁质磁化

42、wmv,166,工v06-39磁铁磁化,工v06-磁化,167,磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。,磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。,当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点 Tc(Curie Point),当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。,理工v06-居里点wmv,168,装

43、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 得出如下曲线。,安培环路定理：,2.磁化曲线,169,由于磁滞，当磁场强度减小到零（即）时，磁感强度，而是仍有一定的数值，叫做剩余磁感强度(剩磁).,当外磁场由 逐渐减小时，磁感强度 B并不沿起始曲线 0P 减小，而是沿 PQ比较缓慢的减小，这种 B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞.,3.磁滞回线,矫顽力,工v06-39磁滞回线2,170,矫顽力,由于磁滞，当磁场强度减小到零（即）时，磁感强度，而是仍有一定的数值，叫做剩余磁感强度(剩磁).

44、,当外磁场由 逐渐减小时，磁感强度 B并不沿起始曲线 0P 减小，而是沿 PQ比较缓慢的减小，这种 B的变化落后于H的变化的现象，叫做磁滞现象，简称磁滞.,171,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应,每个 对应不同的 与磁化的过程有关。,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。,如：铁为 1040K，钴为 1390K，镍为 630K,每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失

45、，而变为顺磁性。这温度叫临界温度，或称铁磁质的居里点。,不同铁磁质具有不同的转变温度,172,4.铁磁性的材料,实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大.,作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢、坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。,r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。,用于继电器、电机、以及高频电磁元件的磁芯、磁棒。,173,作永久磁铁的硬磁材料,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。,还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,作存储元件的矩磁材料,Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H HC使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,