1、1一、一、基本磁现象基本磁现象1 1、自然磁现象、自然磁现象 磁性：磁性：具有能吸引铁磁物资具有能吸引铁磁物资(Fe(Fe、CoCo、NiNi）的一种特性。的一种特性。磁体：磁体：具有磁性的物体具有磁性的物体磁极：磁极：磁性集中的区域磁性集中的区域地磁：地磁：地球是一个大磁体。地球是一个大磁体。451501070965070，东东经经纬纬地地磁磁北北极极大大约约在在南南，西西经经纬纬地地磁磁南南极极大大约约在在北北磁极不能分离，（正负电荷可以分离开）磁极不能分离，（正负电荷可以分离开）2 地核每地核每400400年比年比地壳多转一周地壳多转一周据据 1 19 99 95 5 年年 4 4 月月
2、 3 3 日日，中中国国教教育育报报 报报道道，兰兰州州大大学学地地质质地地 理理教教授授对对我我国国黄黄土土高高原原的的古古地地磁磁进进行行考考察察时时，证证实实了了世世界界多多国国的的 发发现现：地地磁磁的的南南北北极极曾曾经经多多次次颠颠倒倒，在在大大颠颠倒倒间间隙隙、地地磁磁的的磁磁极极 有有不不断断漂漂移移的的历历史史。现现在在的的磁磁极极正正处处在在缓缓慢慢漂漂移移期期，暂暂时时还还不不会会 对对人人类类产产生生影影响响 地球的磁极每隔几地球的磁极每隔几千年会发生颠倒千年会发生颠倒3、磁现象起源于运动电荷磁现象起源于运动电荷I后来人们还发现磁电联系的例子有：后来人们还发现磁电联系的
3、例子有：磁体对载流导线的作用；磁体对载流导线的作用；通电螺线管与条形磁铁相似；通电螺线管与条形磁铁相似；载流导线彼此间有磁相互作用；载流导线彼此间有磁相互作用；1819181918201820年丹麦物理学家奥斯年丹麦物理学家奥斯特首先发现了电流的磁效应。特首先发现了电流的磁效应。18201820年年4 4月，奥斯特做了一个实验，通月，奥斯特做了一个实验，通电流的导线对磁针有作用，使磁针电流的导线对磁针有作用，使磁针在电流周围偏转。在电流周围偏转。上述现象都深刻地说明了：上述现象都深刻地说明了：磁现象与运动电荷之间有着深刻的联系。磁现象与运动电荷之间有着深刻的联系。4 安培的分子电流假说安培的分
4、子电流假说、磁力、磁力、近代分子电流的概念：、近代分子电流的概念：轨道圆电流自旋圆电流分子电流轨道圆电流自旋圆电流分子电流 一切磁现象都起源于电流，任何物质的分子中都存在着环一切磁现象都起源于电流，任何物质的分子中都存在着环形电流（分子电流），每个分子电流就相当于一个基元磁体，形电流（分子电流），每个分子电流就相当于一个基元磁体，当这些分子电流作规则排列时，宏观上便显示出磁性。当这些分子电流作规则排列时，宏观上便显示出磁性。18221822年安培提出了用分子电流来解释磁性起源。年安培提出了用分子电流来解释磁性起源。磁体与磁体间的作用；磁体与磁体间的作用；电流与磁体间的作用；电流与磁体间的作用；
5、磁场与电流间的作用；磁场与电流间的作用；磁场与运动电荷间的作用；磁场与运动电荷间的作用；均称之为磁力。均称之为磁力。51 1、磁场、磁场1 1）磁力的传递者是磁场）磁力的传递者是磁场2 2）磁场是由运动电荷所激发，参考系是观察者）磁场是由运动电荷所激发，参考系是观察者3 3）磁场对外的重要表现）磁场对外的重要表现电流电流(或磁铁或磁铁)磁场磁场电流电流(或磁铁或磁铁)静止电荷激发静电场静止电荷激发静电场运动电荷可同时激发电场和磁场。运动电荷可同时激发电场和磁场。(1)(1)磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力的作用；磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力的作用；(2)(2)载流导体在磁场
6、中移动时，磁场的作用力对载流导体作载流导体在磁场中移动时，磁场的作用力对载流导体作 功，表明磁场具有能量。功，表明磁场具有能量。二、磁感应强度二、磁感应强度磁场与电场一样、是客观存在的特殊形态的物质。磁场与电场一样、是客观存在的特殊形态的物质。6 2 2、磁感应强度、磁感应强度1 1）磁矩：）磁矩：定义载流线圈的面积定义载流线圈的面积S 与线圈中的电流与线圈中的电流I 的乘的乘 积为磁矩积为磁矩(多匝线圈还要乘以多匝线圈还要乘以线圈匝数线圈匝数)，即，即nSNIPm 式中式中N 为线圈的匝数，为线圈的匝数，n0为线圈的为线圈的法线方向，法线方向，Pm与与I 组成右螺旋。组成右螺旋。2 2）磁场
7、方向：）磁场方向：ImP ImPB使线圈磁矩处于使线圈磁矩处于稳定平衡稳定平衡位位置时的磁矩的方向。置时的磁矩的方向。73 3）磁感应强度的大小）磁感应强度的大小mpMBmax磁感应强度的单位磁感应强度的单位1 1特斯拉特斯拉10104 4高斯（高斯（1T1T10104 4GSGS）是试验线圈受到的最大磁力矩、是试验线圈受到的最大磁力矩、是试验线圈的磁矩。是试验线圈的磁矩。maxMmP81 1、磁力线、磁力线常见电流磁力线：直电流，圆电流，通电螺线管的磁力线。常见电流磁力线：直电流，圆电流，通电螺线管的磁力线。1 1）什么是磁力线？）什么是磁力线？2 2）磁力线特性）磁力线特性三、磁通量三、磁
8、通量 磁场中的高斯定理磁场中的高斯定理 、磁力线是环绕电流的闭合曲线，磁场是涡旋场。、磁力线是环绕电流的闭合曲线，磁场是涡旋场。、任何两条磁力线在空间不相交。、任何两条磁力线在空间不相交。、磁力线的环绕方向与电流方向之间遵守右螺旋法则。、磁力线的环绕方向与电流方向之间遵守右螺旋法则。9dSdBm dm是是穿过穿过dS 面面的磁力线条数。的磁力线条数。3 3）用磁力线描述磁场强弱）用磁力线描述磁场强弱 规定：规定：通过垂直于磁力线方向的单位面积的磁力线数等通过垂直于磁力线方向的单位面积的磁力线数等于这一点磁感应强度的大小。即于这一点磁感应强度的大小。即B的另一单位的另一单位 2/11mWbT 1
9、0 穿过磁场中某一曲面的磁力线总数，称为穿过该曲面的穿过磁场中某一曲面的磁力线总数，称为穿过该曲面的磁磁通量通量，用符号，用符号m表示。表示。SdBdmsmsdB3 3、磁场中的高斯定理、磁场中的高斯定理ssdB0这说明这说明 i)i)磁力线是无头无尾的闭合曲线，磁力线是无头无尾的闭合曲线，ii)ii)磁场是无源场，磁场无磁单极存在。磁场是无源场，磁场无磁单极存在。2 2、磁通量、磁通量 由于磁力线是无头无尾的闭合曲线，所以穿过任意闭合曲面由于磁力线是无头无尾的闭合曲线，所以穿过任意闭合曲面的总磁通量必为零。的总磁通量必为零。q S 112,sinrrl dIdlkdB1 1）电流元的方向：）
10、电流元的方向：为线段中为线段中 电流的方向。电流的方向。1 1、毕奥沙伐尔定律毕奥沙伐尔定律 I lId Bd r q P 四、毕奥沙伐尔定律四、毕奥沙伐尔定律 若磁场中，电流元若磁场中，电流元 到某点到某点P的矢径为的矢径为 ，则电流元在则电流元在P点产生的磁感应强度点产生的磁感应强度 的大小与的大小与 成正比，与成正比，与 经过小于经过小于 的角转到矢径的角转到矢径 的的方向角的正弦成正比，与方向角的正弦成正比，与 的平方成反比，其方的平方成反比，其方向为向为 的方向。的方向。122 2）在（）在（SISI）制中制中,104170AmTk170104AmT3 3）B 的方向的方向 dB I
11、dl 与与r 组成的平面，且组成的平面，且 dB 与与dlr0 同向。同向。P13 整个载流导体在整个载流导体在P点的磁感应强度则是电流元在点的磁感应强度则是电流元在P点产生点产生的的 dB 之矢量和之矢量和2004rrlIdBl式中式中r0是电流元指向是电流元指向P点的矢径的单位矢。点的矢径的单位矢。2004rrlIdBd电流元在电流元在P点产生的磁感应强度的矢量式为点产生的磁感应强度的矢量式为 142 2、定律应用定律应用 由由Idlr 确定电流元在确定电流元在 P点的点的 dB 的方向的方向 将将 d B 向选定的坐标轴投影，然后分别求出向选定的坐标轴投影，然后分别求出xxdBByydB
12、BzdBBz15 （1 1）载流直导线的磁场：）载流直导线的磁场：解：取电流元解：取电流元Idl ，P点对电流点对电流元的位矢为元的位矢为r，电流元在电流元在P点产生的点产生的磁感应强度大小为磁感应强度大小为 204sinrIdldBq方向垂直纸面向里，且所有电流方向垂直纸面向里，且所有电流元在元在P点产生的磁感应强度的方向点产生的磁感应强度的方向相同，所以相同，所以 204sinBrIdldBllqdBrqPaIdll16设垂足为设垂足为o,电流元离电流元离o点为点为l，op长为长为a，r 与与a 夹角为夹角为qcossinatgl 2cosdadl cosar 则则Bd y0 xzPIdl
13、rqal204sinBrIdldBLLq17LI40120sinsin4aI21cos40daI2cosdacos22cos1acosar 因为因为qcossin2cosdadl 204sinBrIdldBLLq所以所以18关于关于 角的有关规定：角的有关规定：长直电流的磁场长直电流的磁场 2,221 角增加的方向与电流方向相同，则为正，反之，则为负角增加的方向与电流方向相同，则为正，反之，则为负 2PoI0,0212PoI0,0212PoI0,02119 半长直电流的磁场半长直电流的磁场 半半长直长直电流：垂足与电流的一端重合，而直电流的另一段电流：垂足与电流的一端重合，而直电流的另一段是无
14、限长。是无限长。aIB2212,021PI0I0P20（2 2）圆电流的磁场圆电流的磁场22sin40rdlIdB解：解：Bd在垂直于由在垂直于由 ld和和 r组成的平面上。组成的平面上。Bd在由在由xr、组成的平面内，并且和组成的平面内，并且和 r垂直。垂直。204rdlII R 0 x dB/dBqdBqrlId/dBdB/0dBB由于对称性由于对称性2132023024rIRdlrIRRqsin4220RrdlIdlrRrIR2204232220)(2xRIRRxdBBBq2sin所以所以即即22轴线上任一点轴线上任一点P的磁场的磁场 232220)(2xRIRB圆电流中心的磁场圆电流中
15、心的磁场 RIB20 圆电流的中心的圆电流的中心的 RIB2210 1/n 圆电流的中心的圆电流的中心的 RInB21023 长直电流与圆电流的组合长直电流与圆电流的组合例求下各图中例求下各图中0点的点的B的大小大小RIB80RIRIB4400RIB40RIRIB2400RIRIB48300 I I O o R O RRI R o R I o I24RIRIRIRIB0000224242 求求如图所示的如图所示的电流中球心电流中球心0的磁感应强度。的磁感应强度。RIBRaaIB424sin4,4,sinsin401211201 1l o 2I 2l 1I R 图（图（2 2）o I I R 图
16、（图（1 1）a（1 1）每一边电流产生每一边电流产生B1：25222024 RlIB纸面向里纸面向里 121221llRRII2211lIlI021BBB211014 RlIB 纸面向外纸面向外 1l o 2I 2l 1I R 图（图（2 2）（2 2）204rdlIdB电流元中心电流元中心26例例9-1 9-1 无限长直导线折成无限长直导线折成V形，顶角为形，顶角为q，置于，置于X-Y平面内，且平面内，且一个角边与一个角边与X轴重合，如图。当导线中有电流轴重合，如图。当导线中有电流I时，求时，求Y轴上一轴上一点点P（0,a）处的磁感应强度大小。处的磁感应强度大小。解：如图示，将解：如图示，
17、将V形导线的两根半形导线的两根半无限长导线分别标为无限长导线分别标为1 1和和2 2，则，则a4IB01方向垂直纸面向内；方向垂直纸面向内；1B可求导线可求导线2 2在在P P点的磁感应强度点的磁感应强度 )sin(sin4120qqbIB利用利用)sin1(cos402qqaIB方向垂直纸面向外；方向垂直纸面向外；22qqq1acosqa I P I 1 2 qxY27 P点的总磁感应强度大小为：点的总磁感应强度大小为：)cossin1(cos4012qqqaIBBB B的正方向垂直纸面向外。的正方向垂直纸面向外。28 (非相对论条件下、运动电荷的电场与磁场非相对论条件下、运动电荷的电场与磁
18、场)如图，若带电粒子（即电荷）的定向运动速度为如图，若带电粒子（即电荷）的定向运动速度为v,设导设导线截面为线截面为s，带电粒子数密度为带电粒子数密度为n，则在则在dt时间内过截面时间内过截面s的的带电粒子数带电粒子数 2004rrlIdBd已知由电流元激发的磁场为已知由电流元激发的磁场为 五、运动电荷的电磁场五、运动电荷的电磁场Svvvvvvvvvvdtdl 29若每个载流子的电荷为若每个载流子的电荷为q，则，则dt时间内通过时间内通过s截面的电量截面的电量 qnsvdtqdNdQ于是在电流元中的电流强度为于是在电流元中的电流强度为 qnsvdtdQI 若把电流元若把电流元Idl所激发的磁场
19、，看成由所激发的磁场，看成由dN个载流子（运动个载流子（运动电荷）激发而成，则电荷）激发而成，则 2004rrlqnsvdBd2004rrvqdN30 电荷电荷q相对观察者以速度相对观察者以速度v运动、若运动、若vc,则单个运动电荷则单个运动电荷在空间在空间A点所激发的磁场为点所激发的磁场为 2004dNrrvqdNdNBdB2004rrvqBqPBvrqPBvr31例例9-2 9-2 求氢原子中作轨道运动的电子产生的磁场和电子的轨求氢原子中作轨道运动的电子产生的磁场和电子的轨 道磁矩。道磁矩。mrCeq1019105301061.,.smv6102.2B的方向垂直纸面向内。的方向垂直纸面向内。磁矩：磁矩：)(.22310930mA 2rIPm22rrve2evr21061971053.04102.2106.1104BT53.12q o rr2004rrvqB解解
