1、1載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場磁場對電流有作用磁場對電流有作用一一. .安培定理安培定理大小：大?。簊inddlBIF 由右手螺旋法則確定由右手螺旋法則確定 任意形狀載流導(dǎo)線在外磁場中受到的安培力任意形狀載流導(dǎo)線在外磁場中受到的安培力BlIFFdd(1) 安培定理是矢量表述式安培定理是矢量表述式zyxFFFFd,d,dd(2) 若磁場為勻強(qiáng)場若磁場為勻強(qiáng)場 BlIFd在勻強(qiáng)磁場中的閉合電流受力在勻強(qiáng)磁場中的閉合電流受力BlIFd09.5 磁場對電流的作用磁場對電流的作用BlIF dd討論討論2xyOAILB此段載流導(dǎo)線受的磁力。此段載流導(dǎo)線受的磁力。在電流上任取電流元在電流上任取電流元lI

2、dlIBBlIFdddlIdFdsinddlIBFxyIBdxIBlIBFydcosdd0d00yIBFxIBLxIBFLy0d例例 在均勻磁場中放置一任意形狀的導(dǎo)線，電流強(qiáng)度為在均勻磁場中放置一任意形狀的導(dǎo)線，電流強(qiáng)度為I I求求解解相當(dāng)于載流直導(dǎo)線相當(dāng)于載流直導(dǎo)線F 在勻強(qiáng)磁場中受的力，方向沿在勻強(qiáng)磁場中受的力，方向沿 y y 向。向。OA3例例 求兩平行無限長直導(dǎo)線之間的相互作用力？求兩平行無限長直導(dǎo)線之間的相互作用力？a2I1I1B12f解解 aIB2101電流電流 2 處于電流處于電流 1 的磁場中的磁場中1212BIf同時(shí)，電流同時(shí)，電流 1 處于電流處于電流 2 的磁場中，的磁場

3、中，aIIBIf2210212121faII2210電流電流 2 中單位長度上受的安培力中單位長度上受的安培力電流電流 1 中單位長度上受的安培力中單位長度上受的安培力4(1) 定義定義: : 真空中通有同值電流的兩無限長平行直導(dǎo)線，若真空中通有同值電流的兩無限長平行直導(dǎo)線，若 相距相距 1 1 米米，單位長度受力，單位長度受力(2) 電流之間的磁力符合牛頓第三定律：電流之間的磁力符合牛頓第三定律：N10271221ff則電流為則電流為1 1 安培安培。(3) 分析兩電流元之間的相互作用力分析兩電流元之間的相互作用力22dlI11dlI12r312121101d4drrlIB312121122

4、012212rrlIlI4BlIfddddd同理同理321212211021121dd4dddrrlIlIBlIf 兩電流元之間的相互作用力，一般不遵守牛頓第三定律兩電流元之間的相互作用力，一般不遵守牛頓第三定律討論討論21f12f5(4) 分析兩根帶電長直線沿長度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電線之間的分析兩根帶電長直線沿長度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電線之間的作用力。作用力。1v2v12a 兩帶電線上的電流為兩帶電線上的電流為111vI222vIaIIf2210a2f0m2211vv 兩帶電線單位長度上的電荷之間的庫侖力兩帶電線單位長度上的電荷之間的庫侖力aEfe021212emff2100vv221cvv001c在

5、一般情況下，磁場力遠(yuǎn)小于電場力在一般情況下，磁場力遠(yuǎn)小于電場力2102211022aavv6例例 求一載流導(dǎo)線框在無限長直導(dǎo)線磁場中的受力和運(yùn)動(dòng)趨勢求一載流導(dǎo)線框在無限長直導(dǎo)線磁場中的受力和運(yùn)動(dòng)趨勢解解 1Iaba2I1234xo121bBIf aIbI2102323bBIf aIbI4102方向向左方向向左方向向右方向向右aalBIf21222sindxIxIaad222102ln2210II24ff 整個(gè)線圈所受的合力：整個(gè)線圈所受的合力：4321ffffF31ff 線圈向左做平動(dòng)線圈向左做平動(dòng)31ff13247CDFABF二二. .磁場對平面載流線圈的作用磁場對平面載流線圈的作用B1l2

6、lDAFBCFDCBAIsin1BIlFFBCDA（方向相反在同一直線上）（方向相反在同一直線上）2BIlFFABCD0iF（線圈無平動(dòng)）（線圈無平動(dòng)）對中心的力矩為對中心的力矩為sin2sin211lFlFMCDABsin21BIl l1. 在均勻磁場中的剛性矩形載流線圈在均勻磁場中的剛性矩形載流線圈n（方向相反方向相反不在一條直線上）不在一條直線上）nl lnSS21BpMmnISpm令令B+ +nA(B)D(C)82. 磁場力的功磁場力的功dsinddBISMAmIBSId)cosd(mmmmIIIAmm)(d1221討論討論(1) 線圈若有線圈若有N 匝線圈匝線圈BpNMm(2) M

7、作用下，磁通量增加作用下，磁通量增加0M0穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡負(fù)號(hào)表示力矩作正功時(shí)負(fù)號(hào)表示力矩作正功時(shí) 減小減小非穩(wěn)定平衡非穩(wěn)定平衡0M(3) 非均勻磁場中的平面電流環(huán)非均勻磁場中的平面電流環(huán)0iF線圈有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)線圈有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)0M9一一. .洛倫茲力公式洛倫茲力公式 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果qBvfsin,vBqf sinBqfv 安培力與洛倫茲力的關(guān)系安培力與洛倫茲力的關(guān)系ldIqsfBqNF vddBqfm vBlIF dBlnsqdvBNqv安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加9.6 帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)v10(1) 洛倫茲力始終與電荷運(yùn)動(dòng)

8、方向垂直，故洛倫茲力始終與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂直，故討論討論對電荷不作功對電荷不作功f(2) 在一般情況下，空間中電場和磁場同時(shí)存在在一般情況下，空間中電場和磁場同時(shí)存在meffFBqEqvtp d/d二二. .帶電粒子在均勻磁場中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在均勻磁場中的運(yùn)動(dòng) BvBfqRmBq22sinvvqBmRvqBmRT22vmqBf2 粒子回轉(zhuǎn)周期與頻率粒子回轉(zhuǎn)周期與頻率情況情況v11 一般情況一般情況 B/vvhcos/vvsinvv帶電粒子作螺旋運(yùn)動(dòng)帶電粒子作螺旋運(yùn)動(dòng)qBmqBmRsinvvqBmThcos2/vv 磁聚焦原理磁聚焦原理 B粒子粒子源源A Avv /vv 很小時(shí)很小時(shí)qBmThvv

9、2/接收接收器器 AA發(fā)散角不太大的帶電粒子束，經(jīng)過一個(gè)周期后，重新會(huì)聚發(fā)散角不太大的帶電粒子束，經(jīng)過一個(gè)周期后，重新會(huì)聚v12 減少粒子的縱向前進(jìn)速減少粒子的縱向前進(jìn)速度，使粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生度，使粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生“反射反射” ” 磁約束原理磁約束原理 在非均勻磁場中，速度方向與磁場不同的帶電粒子，也要作在非均勻磁場中，速度方向與磁場不同的帶電粒子，也要作螺旋運(yùn)動(dòng)，但半徑和螺距都將不斷發(fā)生變化螺旋運(yùn)動(dòng)，但半徑和螺距都將不斷發(fā)生變化BqBmqBmRsinvvf/ffe磁場增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)半徑減少磁場增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)半徑減少 強(qiáng)磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近強(qiáng)磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近 橫向磁約束橫向磁約

10、束 縱向磁約束縱向磁約束fff/fv在非均勻磁場中，縱向運(yùn)動(dòng)在非均勻磁場中，縱向運(yùn)動(dòng)受到抑制受到抑制 磁鏡效應(yīng)磁鏡效應(yīng)磁鏡磁鏡13線圈線圈線圈線圈B高溫等離子體高溫等離子體 磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)研究受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)研究 能約束運(yùn)動(dòng)帶電粒能約束運(yùn)動(dòng)帶電粒子的磁場分布稱為磁鏡子的磁場分布稱為磁鏡約束約束 磁瓶磁瓶 地球的磁約束效應(yīng)地球的磁約束效應(yīng) 天然磁瓶天然磁瓶三三. .霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)18791879年年 霍爾發(fā)現(xiàn)在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體板上，若垂直于板霍爾發(fā)現(xiàn)在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體板上，若垂直于板面施加一磁場，則板面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)微弱電勢差面施加一磁場，則板面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)

11、微弱電勢差( (霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng))14Bqfm v橫向電場力橫向電場力: :洛倫茲力洛倫茲力: :0)(BqEqv當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果dIBKUab受力分析受力分析dnqvlnqdIBUabnqK1BEhvlEuhabBlv(霍耳系數(shù)霍耳系數(shù))SnqIvvldIBabqmfEEEqfe(方向向下方向向下)(方向向下方向向下)+15(2) 區(qū)分半導(dǎo)體材料類型區(qū)分半導(dǎo)體材料類型 霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)B+abbauu ab+bauu 0K0KIIvqN 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體vq它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有效

12、方法它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有效方法（濃度隨雜質(zhì)、溫濃度隨雜質(zhì)、溫度等變化度等變化）B討論討論(1) 通過測量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度通過測量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度16四四. 運(yùn)動(dòng)電荷的電磁場運(yùn)動(dòng)電荷的電磁場 qvEB2004rrqBv2004rrqErEcEBvv2001 高溫導(dǎo)高溫導(dǎo)電氣體電氣體B沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分造成的沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分造成的能量損耗能量損耗可提高效率可提高效率特點(diǎn)：特點(diǎn)：磁場是電場的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)磁場是電場的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(3) 磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電17一一. 磁介質(zhì)及其分類磁介質(zhì)及其分類1. 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 任何實(shí)物都是任何實(shí)物都是磁介質(zhì)磁介質(zhì)0E0EEE電介質(zhì)放

13、入外場電介質(zhì)放入外場0EE磁介質(zhì)放入外場磁介質(zhì)放入外場0BrBB0r 相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 反映磁介質(zhì)對原場的影響程度反映磁介質(zhì)對原場的影響程度 9.7 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性2. 磁介質(zhì)的分類磁介質(zhì)的分類順磁質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)1r減弱原場減弱原場0BB 1r增強(qiáng)原場增強(qiáng)原場0BB 如如 鋅、銅、水銀、鉛等鋅、銅、水銀、鉛等如如 錳、鉻、鉑、氧等錳、鉻、鉑、氧等弱弱磁磁性性物物質(zhì)質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對磁導(dǎo)率都非常接近于順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的相對磁導(dǎo)率都非常接近于1。18鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì))1010(421r通常不是常數(shù)通常不是常數(shù)具有顯著的增強(qiáng)原磁場的性質(zhì)具有顯著的增強(qiáng)原磁場的性質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)二二

14、. 磁化機(jī)理磁化機(jī)理原子中電子的軌道磁矩原子中電子的軌道磁矩1. 安培分子環(huán)流的概念和方法安培分子環(huán)流的概念和方法LmePl2電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩SmePs電子自旋磁矩電子自旋磁矩與軌道磁矩有與軌道磁矩有相同的數(shù)量級相同的數(shù)量級分子磁矩分子磁矩 所有電子磁矩的總和所有電子磁矩的總和immiPP抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0mP無外場作用時(shí)，對外不顯磁性無外場作用時(shí)，對外不顯磁性順磁質(zhì)順磁質(zhì)0mP無外場作用時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，無外場作用時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，對外也不顯磁性對外也不顯磁性190mP2. 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化evmPr0BffomP電子軌道半徑不變電子軌道半徑不變)(mPmP當(dāng)外場方向與原子磁矩反

15、方向時(shí)當(dāng)外場方向與原子磁矩反方向時(shí)emPr0BfomPfmP)(mP當(dāng)外場方向與原子磁矩方向相同時(shí)當(dāng)外場方向與原子磁矩方向相同時(shí)200B將順磁質(zhì)放入外場將順磁質(zhì)放入外場 分子環(huán)流在外場作用下，分子環(huán)流在外場作用下，產(chǎn)生取向轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生取向轉(zhuǎn)動(dòng)， 磁矩將轉(zhuǎn)磁矩將轉(zhuǎn)向外場方向向外場方向 宏觀上宏觀上產(chǎn)生附加磁場產(chǎn)生附加磁場0B1B1B結(jié)論：結(jié)論：在外場作用下，電子產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成附加在外場作用下，電子產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成附加的的mP, 附加磁矩（也稱感應(yīng)磁矩）總是與外場方向附加磁矩（也稱感應(yīng)磁矩）總是與外場方向B0B反，即產(chǎn)生一個(gè)與外場反向的附加磁場反，即產(chǎn)生一個(gè)與外場反向的附加磁場相相

16、 抗磁質(zhì)磁化抗磁質(zhì)磁化在外場作用下，每個(gè)分子中的所有電子都產(chǎn)生感應(yīng)磁矩在外場作用下，每個(gè)分子中的所有電子都產(chǎn)生感應(yīng)磁矩mPBB則磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁場則磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁場與外場方向相反與外場方向相反順磁質(zhì)磁化順磁質(zhì)磁化21在外場作用下，分子磁矩要轉(zhuǎn)向，同時(shí)每個(gè)分子中的所有電在外場作用下，分子磁矩要轉(zhuǎn)向，同時(shí)每個(gè)分子中的所有電子也都產(chǎn)生感應(yīng)磁矩。子也都產(chǎn)生感應(yīng)磁矩。1BB21BBB則磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁場則磁介質(zhì)產(chǎn)生附加磁場1B與外場方向相同與外場方向相同三三. 有磁介質(zhì)的磁高斯定理有磁介質(zhì)的磁高斯定理0BBB磁介質(zhì)存在時(shí)，磁感應(yīng)線仍是一系列無頭無尾的閉合曲線磁介質(zhì)存在時(shí)，磁感應(yīng)線仍是一系列無頭無尾的閉

17、合曲線(含磁介質(zhì)的磁高斯定理含磁介質(zhì)的磁高斯定理)對于任意閉合曲面對于任意閉合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB22四四. 有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理1. 束縛電流束縛電流0B以無限長螺線管為例以無限長螺線管為例定義定義：磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度 VPMm 磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，反映磁介質(zhì)磁化程度越強(qiáng)磁化強(qiáng)度越強(qiáng)，反映磁介質(zhì)磁化程度越強(qiáng)順順磁磁質(zhì)質(zhì)0I0ISI在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一小區(qū)域：在磁介質(zhì)內(nèi)部的任一小區(qū)域：相鄰的分子環(huán)流的方向相反相鄰的分子環(huán)流的方向相反在磁介質(zhì)表面處各點(diǎn)：在磁介質(zhì)表面處各點(diǎn)：分子環(huán)流未被抵消分子環(huán)流未被抵消形成沿表面流動(dòng)的面電流形成沿表面流動(dòng)的面電流SI

18、束縛電流束縛電流23VPMm i結(jié)論：結(jié)論：介質(zhì)中磁場由傳導(dǎo)和束縛電流共同產(chǎn)生。介質(zhì)中磁場由傳導(dǎo)和束縛電流共同產(chǎn)生。順順磁磁質(zhì)質(zhì)0ISIabcdiLIlB0d) (00SINI )(00abiNI nMi束縛電流密度束縛電流密度2. 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理LLlMNIlBdd000用磁化強(qiáng)度描述束縛電流項(xiàng)用磁化強(qiáng)度描述束縛電流項(xiàng)可證明可證明:24000d)(NIlMBLiI0定義磁場強(qiáng)度定義磁場強(qiáng)度MBH00dIlHL(磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理)磁介質(zhì)內(nèi)磁場強(qiáng)度沿所選閉合路徑的環(huán)流等于閉合積分路徑磁介質(zhì)內(nèi)磁場強(qiáng)度沿所選閉合路徑的環(huán)流等于閉合積分路徑所包圍的

19、所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。所包圍的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和。討論討論 束縛電流與磁化強(qiáng)度束縛電流與磁化強(qiáng)度xyzM i i設(shè)單位長度上的束縛電流為設(shè)單位長度上的束縛電流為沿沿Z方向磁化的介質(zhì)體元方向磁化的介質(zhì)體元25）內(nèi)LIlML( d取任意閉合回路取任意閉合回路 L，則磁化強(qiáng)度，則磁化強(qiáng)度M 沿沿L 的積分等于穿過此的積分等于穿過此積分回路圍成的面積上束縛電流強(qiáng)度的代數(shù)和。積分回路圍成的面積上束縛電流強(qiáng)度的代數(shù)和。 (普遍關(guān)系式普遍關(guān)系式)ziI SIPmzyxi iVPMm則，它產(chǎn)生的磁矩則，它產(chǎn)生的磁矩nMixyzM i介質(zhì)側(cè)面上的束縛電流強(qiáng)度介質(zhì)側(cè)面上的束縛電流強(qiáng)度26(3) 對于各向同性介質(zhì)

20、，在外磁場不太強(qiáng)的情況下對于各向同性介質(zhì)，在外磁場不太強(qiáng)的情況下HMHMmm 介質(zhì)的磁化率介質(zhì)的磁化率MHB00Hm0)1 (00BrHHBr0一定條件下，可用安培環(huán)路定理求解磁場強(qiáng)度，然后再求解一定條件下，可用安培環(huán)路定理求解磁場強(qiáng)度，然后再求解磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度。27一無限長載流直導(dǎo)線，其外包圍一層磁介質(zhì)，相對磁導(dǎo)率一無限長載流直導(dǎo)線，其外包圍一層磁介質(zhì)，相對磁導(dǎo)率1r(2) 介質(zhì)內(nèi)外界面上的束縛電流密度介質(zhì)內(nèi)外界面上的束縛電流密度例例求求解解 根據(jù)磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理根據(jù)磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理IrHlHL2drIH2/(1) 磁介質(zhì)中的磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁介質(zhì)中的磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度r2R1RIrHH1HMrm)(rIr2) 1(rIHBrr200由磁化強(qiáng)度與束縛電流密度的關(guān)系由磁化強(qiáng)度與束縛電流密度的關(guān)系nMi內(nèi)界面內(nèi)界面:1112) 1(RIMir外界面外界面:222) 1(RIir1i2i28五五. .鐵磁質(zhì)鐵磁質(zhì)主要特征主要特征在外場中，鐵磁質(zhì)可使原磁場大大增強(qiáng)。在外場中，鐵磁質(zhì)可使原