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[第四章稳恒电流的磁场
第四章 稳恒电流的磁场
教学要求:
1.透彻理解磁感应强度矢量的概念.
2.透彻理解毕奥—萨伐尔定律矢量式的物理意义,牢固掌握其内容,并会熟练地用它来计算磁场分布.
3.深入理解稳恒磁场的两个基本定理-磁场的高斯定理和安培环路定理的实质,牢固掌握其内容,并会熟练地用安培环路定理计算特定条件下的磁场分布.
4.正确理解并掌握安培力公式和洛仑兹力公式,并能运用洛伦兹力求解电荷在均匀电场和磁场中的运动问题.
教学重点:
1.毕奥—萨伐尔定律
2.磁场的高斯定理
3.安培环路定理
教学难点:
1.洛仑兹力与安培力
2.磁场的矢势
§4.1 基本磁现象 安培定律
§4.2 电流的磁场 磁感强度
§4.3 稳恒电流磁场的基本方程式
§4.4 带电粒子在电场和磁场中的运动
§4.1 基本磁现象 安培定律
1、磁现象
1)磁极
磁铁具有磁极(磁性集中的区域)
磁极对称出现,分别称为南极(S极)、北极(N极)
同号的磁极相排斥,异号磁极相吸引。
2)电流与磁铁间的相互作用
① 载流导线会使周围的磁针发生偏转。
② 磁铁会使载流线圈发生偏转。
③ 磁铁会使载流导线移动。
3)电流与电流之间的相互作用
① 平行载流导线之间有相互作用力。
② 载流线圈之间有相互作用力。
4)磁场对运动电荷有作用力
2、安培定律
安培根据电流与电流之间的相互作用力的实验结果,利用倒推方法,得到电流元之间的相互作用力的实验规律,称为安培定律。
假设两个回路,如图所示,在回路1上取电流元,在回路2上取电流元,两个电流元之间的距离为,则在国际单位制中,安培定律的数学表达为
式中,为电流元对电流元的作用力;为沿的单位矢量;为与间的夹角;为与()间的夹角;为真空磁导率。
电流元之间相互作用的安培定律不能用实验直接验证,但对闭合载流回路积分得到的结果与实验相符。
施力电流元方向决定受力电流元的方向。
与之间有线性关系,具有叠加性。
受力电流元受到的力与受力电流元自身的方向垂直,具有横向性。
从表达式来看,如果,,都增加n倍,不变,遵守平方反比律。
电流元之间的相互作用力一般不满足牛顿第三定律,但两闭合载流回路间的作用力完全符合牛顿第三定律。
电流元应理解为线电流元,当线电流的条件不满足时,应考虑电流在导线中的实际分布,将换成。
安培定律适用真空或磁介质中,同时施力电流元必须稳恒。
3、例题
例4.1-1分析两平等的无限长载流直导线间的相互作用力。
解:设两平行直导线中的电流分别为I1和I2,导线间是距离为a。建立直角坐标,如图所示,在两导线上分别任取一电流元和,它们之间是距离为。到原点的距离为,到z轴上的距离为。电流元对电流元的作用力为
其中
所以
电流的载流导线作用于电流元的力为
载流导线1作用于载流导线2的单位长度上的力为
负号表示当电流 与 同向时, 是吸引力,当电流 与 反向时, 是排斥力。
§4.2电流的磁场 磁感强度
1、磁场及其描写
1)磁场的基本性质
① 电流或运动电荷在周围空间激发磁场。
② 磁场对处于场空间中的其他电流或运动电荷都存在着力的作用,电流之间存在的磁作用是通过磁场传递的。
③ 磁场是一种物质,具有能量,动量和有限的传播速度,并可以脱离场源而独立存在。
④ 稳恒电流所激发的磁场称为静电场。
2)安培公式
电流为I的载流回路所产生的磁场对检测电流元的作用力称为安培力。
式中, ,称为磁场的磁感强度,安培力的大小为:
式中为与之间的夹角,的方向垂直于电流元和磁感强度所组成的平面,并满足右手螺旋定则。
3)磁感强度的定义
磁感强度是描述磁场的强弱和方向的物理量,它是一个矢量。定义磁感强度的方法有很多种,这里用磁场对电流元的作用来定义。
将检测电流元放在磁场中的某点,若电流元取某一方向时,受到的作用力为最大,则最大作用力与电流元的比值定义为该点的磁感强度的大小,即
如果电流元取某一方向时,作用于电流元的磁场力为零,则电流元的指向就是电流元所在处的方向。具体指向由矢积的右手定则确定,如图所示。
2、毕奥—萨伐尔定律
毕奥—萨伐尔根据实验结果推得,电流元所形成的磁场,在距它的r处的磁感强度为:
其中,为载流导线上的线元,沿着其中电流的方向,为电流元到考察点的径矢,为方向的单位矢量。这一公式称为毕奥—萨伐尔定律。磁感强度的
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