第十一章恒定磁场教程.doc

PAGE  PAGE 34 第十一章 恒定磁场 实验证明，运动电荷周围不仅存在有电场，而且还存在有磁场。与电场一样，磁场也是一种特殊的物质形态，电场和磁场之间有许多相似处，能够产生磁力的空间都存在着磁场。我们可以仿照研究电场的方法来研究磁场。 人们对磁现象的研究是很早的，而且开始时是与电现象分开研究的。发现电、磁现象之间存在着相互联系的事实，首先应归功于丹麦物理学家奥斯特。他在实验中发现，通有电流的导线（也叫载流导线）附近的磁针，会受力而偏转。1820年7月21日，他在题为《电流对磁针作用的实验》小册子里，宣布了这个发现。这个事实表明电流对磁铁有作用力，电流和磁铁一样，也产生磁现象。 1820年8月，奥斯特又发表了第二篇论文，他指出：放在马蹄形磁铁两极间的载流导线也会受力而运动。这个实验说明了磁铁对运动的电荷有作用力。 1820年9月，法国人安培报告了通有电流的直导线间有相互作用的发现，并在1820年底从数字上给出了两平行导线相互作用力公式。这说明了二者的作用是通过它们产生的磁现象进行的。 综上可知，电流是一切磁现象的根源。 为了说明物质的磁性，1822年安培提出了有关物质磁性的本性的假说，他认为一切磁现象的根源是电流，即电荷的运动，任何物体的分子中都存在着回路电流，成为分子电流。分子电流相当于基元磁铁，由此产生磁效应。安培假说与现代物质的电结构理论是符合的，分子中的电子除绕原子核运动外，电子本身还有自旋运动，分子中电子的这些运动相当于回路电流，即分子电流。 磁场的应用十分广泛。如：电子射线 、回旋加速器、质谱仪、真空开关等都利用了磁场。 §11-1恒定电流 电流密度 一、恒定电流 定义：导体中任意一截面S上单位时间内通过的电荷量为通过该面积的电流 单位是A（安培），恒定电流以I表示。 恒定电流：导体中电流不随时间变化（也叫直流电）。 电流指的是电荷流经截面S上的整体量，它不能反映截面S上某点处电荷的流动特性。因此，就有必要引入电流密度的概念。 二、电流密度 ρ 以体密度分布的电荷，按速度在空间作匀速运动，如图中元体积中的电荷在时间内通过端面从体积内全部流出，则 定义 为流经端面上某点处的电流密度矢量，为上该点处的正法向单位矢量，其方向正好是该点处电荷的运动方向。用电流密度完全可以表示某点处电荷的运动方向。于是有 单位是A/m2（安培/平方米），称之为体电流密度（或称为体电流的面密度）。 若体电荷在薄层导体中流动，当薄层导体的厚度时，可近似认为电流沿一厚度为零的曲面流动，称之为面电流。图中薄层导体面元宽为、长为，面电荷密度为，沿以速度流动。设时间内曲面元中的电荷全部流出薄层导体，其元面电流为 定义 为流经端面上某点处的电流密度矢量，是该点处电荷的运动方向，有 表示薄层导体上某点处的面电流密度（或称为面电流的线密度），单位为A/m（安培/米），它的方向正好反映了该点处电荷的运动方向。 若薄层导体的宽度窄小到可以忽略，就成了线形导线，其上电荷运动方向决定于导线的走向。设导线电荷线密度为，电荷以速度沿导线运动，可定义线电流为 其单位是A（安培）。 三、电流与电流密度的关系 取导体中的任意截面S，确定S面的周界l和它的循行方向。在S内取一面元，以右手四指绕过l的循行方向，大拇指的指向为面元的正方向，面元矢量。若通过的电流为，应有 ，于是截面S上通过的电流为 可见，电流是单位时间内通过S面的所有电荷量，它在S面上的具体分布及各点处电荷的运动方向只能由电流密度来描述，电流密度应是恒定电场的基本场矢量。 θ I l Js S 左图中，设流经薄层导体曲面S内任意曲线段l的电流为I。将l上任意线元dl的法线方向单位矢量记为，相应的线元矢量为。流经dl的电流为，通过曲线l的电流 §11-2 电源 电动势 三、电源与电动势 要维持导线中有恒定的电流，导线中必须维持有恒定的电场。恒定电场的产生和维持依靠相连接的外部电源。 1、电源与电动势 定义：一种能将其他形式的能量转换为电能的装置称为电源。 要产生恒定电场，在导线中引起恒定电流，需要连接直流电源。直流电源能将电源内的原子或分子的正、负电荷分开，使正电荷移向正极，负电荷移向负极。显然，这种移动电荷的作用力不是电场的库仑力，我们称之为局外力，用fe表示，设想作用在单位正的点电荷上的局外力是一种等效的电场作用的结果，定义局外场强 其单位为V/m（伏特/米）。描述电源特性的电动势可定义为