载流导体产生磁场精选课件.ppt

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1、关于载流导体产生磁场第一页，本课件共有31页xyOAIL此段载流导线受的磁力。此段载流导线受的磁力。在电流上任取电流元在电流上任取电流元例例在均匀磁场中放置一任意形状的导线，电流强度为在均匀磁场中放置一任意形状的导线，电流强度为I I求求解解相当于载流直导线相当于载流直导线 在匀强磁场中受的力，方向沿在匀强磁场中受的力，方向沿 y y 向。向。第二页，本课件共有31页例例 求两平行无限长直导线之间的相互作用力？求两平行无限长直导线之间的相互作用力？解解 电流电流 2 处于电流处于电流 1 的磁场中的磁场中同时，电流同时，电流 1 处于电流处于电流 2 的磁场中，的磁场中，电流电流 2 中单位长

2、度上受的安培力中单位长度上受的安培力电流电流 1 中单位长度上受的安培力中单位长度上受的安培力第三页，本课件共有31页(1)定义定义:真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，若真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，若 相距相距 1 1 米米，单位长度受力，单位长度受力(2)电流之间的磁力符合牛顿第三定律：电流之间的磁力符合牛顿第三定律：则电流为则电流为1 1 安培安培。(3)分析两电流元之间的相互作用力分析两电流元之间的相互作用力同理同理 两电流元之间的相互作用力，一般不遵守牛顿第三定律两电流元之间的相互作用力，一般不遵守牛顿第三定律讨论讨论第四页，本课件共有31页(4)分析两根带电长直线沿

3、长度方向运动时，带电线之间的作用分析两根带电长直线沿长度方向运动时，带电线之间的作用力。力。两带电线上的电流为两带电线上的电流为 两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力在一般情况下，磁场力远小于电场力在一般情况下，磁场力远小于电场力第五页，本课件共有31页例例 求一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势求一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势解解 1234方向向左方向向左方向向右方向向右 整个线圈所受的合力：整个线圈所受的合力：线圈向左做平动线圈向左做平动1324第六页，本课件共有31页二二.磁场对平面载流线圈的作用磁场对平面载流线圈的作用（

4、方向相反在同一直线上）（方向相反在同一直线上）（线圈无平动）（线圈无平动）对中心的力矩为对中心的力矩为1.在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈（方向相反方向相反不在一条直线上）不在一条直线上）令令+A(B)D(C)第七页，本课件共有31页2.磁场力的功磁场力的功讨论讨论(1)线圈若有线圈若有N 匝线圈匝线圈(2)M 作用下，磁通量增加作用下，磁通量增加稳定平衡稳定平衡负号表示力矩作正功时负号表示力矩作正功时 减小减小非稳定平衡非稳定平衡(3)非均匀磁场中的平面电流环非均匀磁场中的平面电流环线圈有平动和转动线圈有平动和转动第八页，本课件共有31页一一.洛伦兹力公式洛伦兹力

5、公式 实验结果实验结果 安培力与洛伦兹力的关系安培力与洛伦兹力的关系安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加9.6 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动第九页，本课件共有31页(1)洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故讨论讨论对电荷不作功对电荷不作功(2)在一般情况下，空间中电场和磁场同时存在在一般情况下，空间中电场和磁场同时存在二二.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动 粒子回转周期与频率粒子回转周期与频率情况情况第十页，本课件共有31页 一般情况一般情况 带电粒子作螺旋运动带电粒子作螺旋运动 磁聚焦原理磁聚

6、焦原理 粒子粒子源源A A 很小时很小时接收接收器器 A A发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚第十一页，本课件共有31页 减少粒子的纵向前进速减少粒子的纵向前进速度，使粒子运动发生度，使粒子运动发生“反射反射”磁约束原理磁约束原理 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，运动半径减少磁场增强，运动半径减少 强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近 横

7、向磁约束横向磁约束 纵向磁约束纵向磁约束在非均匀磁场中，纵向运动受到在非均匀磁场中，纵向运动受到抑制抑制 磁镜效应磁镜效应磁镜磁镜第十二页，本课件共有31页线圈线圈线圈线圈高温等离子体高温等离子体 磁镜效应的典型应用磁镜效应的典型应用受控热核聚变实验研究受控热核聚变实验研究 能约束运动带电粒能约束运动带电粒子的磁场分布称为磁镜子的磁场分布称为磁镜约束约束 磁瓶磁瓶 地球的磁约束效应地球的磁约束效应 天然磁瓶天然磁瓶三三.霍尔效应霍尔效应18791879年年 霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板面施加一磁场，则板面两侧会出现微弱电势差面施加一磁

8、场，则板面两侧会出现微弱电势差(霍尔效应霍尔效应)第十三页，本课件共有31页横向电场力横向电场力:洛伦兹力洛伦兹力:当达到动态平衡时：当达到动态平衡时：实验结果实验结果受力分析受力分析(霍耳系数霍耳系数)ldIab(方向向下方向向下)(方向向下方向向下)+第十四页，本课件共有31页(2)区分半导体材料类型区分半导体材料类型 霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关+N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体它是研究半导体材料性质的有效方法它是研究半导体材料性质的有效方法（浓度随杂质、温度浓度随杂质、温度等变化等变化）讨论讨论(1)通过测量霍尔系数可以确定导电体中载流子

9、浓度通过测量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度第十五页，本课件共有31页四四.运动电荷的电磁场运动电荷的电磁场 高温导高温导电气体电气体没有机械转动部分造成的没有机械转动部分造成的能量损耗能量损耗可提高效率可提高效率特点：特点：磁场是电场的运动效应磁场是电场的运动效应(3)磁流体发电磁流体发电第十六页，本课件共有31页一一.磁介质及其分类磁介质及其分类1.磁介质磁介质 任何实物都是任何实物都是磁介质磁介质电介质放入外场电介质放入外场磁介质放入外场磁介质放入外场 相对磁导率相对磁导率 反映磁介质对原场的影响程度反映磁介质对原场的影响程度 9.7 物质的磁性物质的磁性2.磁介质的分类磁介质的分类顺

10、磁质顺磁质抗磁质抗磁质减弱原场减弱原场增强原场增强原场如如 锌、铜、水银、铅等锌、铜、水银、铅等如如 锰、铬、铂、氧等锰、铬、铂、氧等弱弱磁磁性性物物质质顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1。第十七页，本课件共有31页铁磁质铁磁质通常不是常数通常不是常数具有显著的增强原磁场的性质具有显著的增强原磁场的性质强磁性物质强磁性物质二二.磁化机理磁化机理原子中电子的轨道磁矩原子中电子的轨道磁矩1.安培分子环流的概念和方法安培分子环流的概念和方法电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩电子自旋磁矩电子自旋磁矩与轨道磁矩有与轨道磁矩有相同的数量级相同的数量级分子磁矩分子磁矩

11、所有电子磁矩的总和所有电子磁矩的总和抗磁质抗磁质无外场作用时，对外不显磁性无外场作用时，对外不显磁性顺磁质顺磁质无外场作用时，由于热运动，对无外场作用时，由于热运动，对外也不显磁性外也不显磁性第十八页，本课件共有31页2.磁介质的磁化磁介质的磁化电子轨道半径不变电子轨道半径不变当外场方向与原子磁矩反方向时当外场方向与原子磁矩反方向时当外场方向与原子磁矩方向相同时当外场方向与原子磁矩方向相同时第十九页，本课件共有31页将顺磁质放入外场将顺磁质放入外场 分子环流在外场作用下，分子环流在外场作用下，产生取向转动，产生取向转动，磁矩将转向磁矩将转向外场方向外场方向 宏观上产生宏观上产生附加磁场附加磁场

12、结论：结论：在外场作用下，电子产生附加的转动，从而形成附加的在外场作用下，电子产生附加的转动，从而形成附加的,附加磁矩（也称感应磁矩）总是与外场方向附加磁矩（也称感应磁矩）总是与外场方向反，即产生一个与外场反向的附加磁场反，即产生一个与外场反向的附加磁场相相 抗磁质磁化抗磁质磁化在外场作用下，每个分子中的所有电子都产生感应磁矩在外场作用下，每个分子中的所有电子都产生感应磁矩则磁介质产生附加磁场则磁介质产生附加磁场与外场方向相反与外场方向相反顺磁质磁化顺磁质磁化第二十页，本课件共有31页在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分子中的所有电子也在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分子中的所有电子

13、也都产生感应磁矩。都产生感应磁矩。则磁介质产生附加磁场则磁介质产生附加磁场与外场方向相同与外场方向相同三三.有磁介质的磁高斯定理有磁介质的磁高斯定理磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾的闭合曲线磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾的闭合曲线(含磁介质的磁高斯定理含磁介质的磁高斯定理)对于任意闭合曲面对于任意闭合曲面S第二十一页，本课件共有31页四四.有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理1.束缚电流束缚电流以无限长螺线管为例以无限长螺线管为例定义定义：磁化强度：磁化强度 磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强顺顺磁磁质质在磁介质内部的任一小区

14、域：在磁介质内部的任一小区域：相邻的分子环流的方向相反相邻的分子环流的方向相反在磁介质表面处各点：在磁介质表面处各点：分子环流未被抵消分子环流未被抵消形成沿表面流动的面电流形成沿表面流动的面电流束缚电流束缚电流第二十二页，本课件共有31页结论：结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。顺顺磁磁质质束缚电流密度束缚电流密度2.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理用磁化强度描述束缚电流项用磁化强度描述束缚电流项可证明可证明:第二十三页，本课件共有31页定义磁场强度定义磁场强度(磁介质的安培环路定理磁介质的安培环路定理)磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流

15、等于闭合积分路径磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有传导电流的代数和。所包围的所有传导电流的代数和。讨论讨论 束缚电流与磁化强度束缚电流与磁化强度设单位长度上的束缚电流为设单位长度上的束缚电流为沿沿Z方向磁化的介质体元方向磁化的介质体元第二十四页，本课件共有31页取任意闭合回路取任意闭合回路 L，则磁化强度，则磁化强度M 沿沿L 的积分等于穿过此的积分等于穿过此积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。(普遍关系式普遍关系式)则，它产生的磁矩则，它产生的磁矩介质侧面上的束缚电流强度介质侧面上的束缚电流强度第二十五页，本课件共

16、有31页(3)对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下 介质的磁化率介质的磁化率一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解磁感应强度。磁感应强度。第二十六页，本课件共有31页一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率(2)介质内外界面上的束缚电流密度介质内外界面上的束缚电流密度例例求求解解根据磁介质的安培环路定理根据磁介质的安培环路定理(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度磁介质中的磁化强度和磁感应强度由磁化强度与束缚电流密度的关系由磁化

17、强度与束缚电流密度的关系内界面内界面:外界面外界面:第二十七页，本课件共有31页五五.铁磁质铁磁质主要特征主要特征在外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。在外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。1.磁畴磁畴 磁化微观机理磁化微观机理铁磁质中自发磁化的小区域叫磁畴，磁畴中电子的自旋磁矩整齐铁磁质中自发磁化的小区域叫磁畴，磁畴中电子的自旋磁矩整齐排列。排列。无无磁化方向与磁化方向与有有 整个铁磁质的总磁矩为零整个铁磁质的总磁矩为零同向的磁畴扩大同向的磁畴扩大磁化方向转向磁化方向转向的方向的方向使磁场大大增强使磁场大大增强外场撤去，

18、被磁化的铁磁质受体内杂质和内外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力的阻碍，不能恢复磁化前的状态。应力的阻碍，不能恢复磁化前的状态。磁畴的磁磁畴的磁化方向化方向第二十八页，本课件共有31页2.宏观磁化现象宏观磁化现象 磁滞回线磁滞回线铁磁质中铁磁质中不是线性关系不是线性关系 剩磁剩磁矫顽力矫顽力(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆不可逆”的，的，具有磁滞现象具有磁滞现象讨论讨论(2)不同材料，矫顽力不同不同材料，矫顽力不同第二十九页，本课件共有31页(4)铁磁材料的应用铁磁材料的应用HC 较小较小HC较大较大易磁化，易退磁易磁化，易退磁剩磁较强，不易退磁剩磁较强，不易退磁可作变压器、电机、可作变压器、电机、电磁铁的铁芯电磁铁的铁芯可作永久磁铁可作永久磁铁软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料(3 3)铁磁质温度高于某一温度铁磁质温度高于某一温度TC 时时,铁磁质转化为顺磁质铁磁质转化为顺磁质,此临界此临界温度称为居里点。温度称为居里点。第三十页，本课件共有31页02.03.2023感感谢谢大大家家观观看看第三十一页，本课件共有31页