十电流和磁场.ppt

* 大 学 基 础 物 理 学 第十三章 电流和磁场 （ Current and Magnetic Field ） 西南大学物理科学与技术学院 赵 建 伟 Email: zhaojw@swu.edu.cn §13.1 电流和电流密度 §13.2 电流的经典微观图像 欧姆定律 §13.3 磁力与电荷的运动 §13.4 磁场与磁感应强度 本章目录 §13.9 与变化电场相联系的磁场 §13.8 安培环路定理的应用 §13.7 安培环路定理 §13.6 匀速运动点电荷的磁场* §13.5 毕奥－萨伐尔定律 1、电流 电流：导体内的带电粒子定向运动而形成电流。 形成电流的条件: 1) 导体中有带电粒子（载流子）； 2) 导体中有电场存在或导体两端有电势差. 2、电流强度：单位时间里通过导体某一截面的电量： §13.1 电流和电流密度 单位：安（A） 1A＝1C/s ? 对细导线用电流强度的概念就够了。对大块导体，还需电流密度的概念来进一步描写电流的分布。 例如：电阻法探矿 2、电流密度 电流密度: 通过垂直于正电荷运动方向的单位面积的电流强度: ? P 处正电荷定向移动速度方向上的单位矢量 ? 对任意小面元 : ? 对任意曲面 S： dI ? 电流密度与载流子的定向运动速度的关系: 补充：为形象描写电流分布，引入 “电流线” 的概念： 1）电流线上某点的切向 与该点 的方向一致； ? 电流线 P J 2）电流线的密度等于 J 对闭合曲面 S 有 稳恒情况有： 3、稳恒条件： （电流分布不随时间变化的电流称为恒定电流） §13.2 电流的微观图像 欧姆定律 1、电流的经典微观图像 （本部分内容不作要求，有余力的同学可自学） 对一段均匀金属导体： 电阻 (resistance) 2、欧姆定律 （U= ?a-?b ） ? ─电阻率 单位： 电导率 ─ 单位： ? 将欧姆定律用于大块导体中的一小段: ＋ ＋ —欧姆定律微分形式 注：上式对非均匀导体，非稳恒电流也成立。 §13.3 磁力与电荷的运动 一、基本磁现象 1、条形磁铁 2、磁针 3、磁铁之间相互作用； 4、磁铁与电流之间有相互作用 (1)奥斯特实验(1820年) （2）磁体附近的载流导线受到力的作用： 5、电流与电流之间存在相互作用：(安培实验) （3）磁场对运动电荷的作用： 二、磁现象的本质 一切磁现象都起源于运动电荷（电流），磁相互作用的本质是运动电荷（电流）之间的相互作用。 分子环流：电子绕原子核运动和电子自旋所形成的电流。物质的磁性取定于物质中分子电流的磁效应之总和。 §13.4 磁场与磁感应强度 一.磁场： 运动电荷周围存在磁场 ? 对其中的运动电荷有力的作用 磁场是一种物质，有质量、能量，是客观存在,磁力 通过磁场传递 磁场的宏观性质： 静止电荷 静止电荷 运动电荷 静止电荷 运动电荷 运动电荷 库仑相互作用 磁相互作用 库仑相互作用 库仑相互作用 磁场力，运动电荷才受磁力 ? 洛仑兹力公式 电场力，与电荷的运动状态无关 ? 洛仑兹力是力的基本关系式； ? 洛仑兹力是相对论不变式； ? 称为磁感强度，只决定于产生磁场的运动电荷（电流），服从叠加原理； ? 单位：特斯拉 (T) 或高斯 (G)， 1T = 104 G ? 无头无尾，闭合曲线 1）典型电流的磁力线: 2）磁力线的性质 单位：韦伯(Wb) ? 与电流套连 ? 与电流成右手螺旋关系 二、磁力线 三、磁通量 穿过磁场中任一给定曲面的磁力线总数 磁通连续原理 §13.5 毕奥－萨伐尔定律 ? 1820年,法国物理学家毕奥和萨伐尔通过精确测定直线电流对磁铁的作用力发现直线电流产生的磁场： P ? 拉普拉斯从数学上推导出电流元 的磁场: 方向由右手螺旋判定 真空中的磁导率 ? 载流导线的磁场: ? 利用毕奥－萨伐尔定律求磁场： 2. 几种常见电流的磁场(I) （1）直线电流的磁场： ?2 o ?1 P r ? I dB r’ dl l 解: 无限长载流导线： ?1= 0 , ?2 = ? 毕奥－萨伐尔定律 解： By = 0 （2）环形电流的磁场 x P R dBx dBy I r dB （3） 载流直螺线管内部的磁场 ?????????????????????????? ⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙ P R 已知：管的长度为L，半径为R，单位长度上绕有n匝线圈，通有电流I。 ? x dx r 无限长螺线管： 直线电流的磁感线 直螺线管电流的磁感线 圆形电流的磁感线 实验观测： §13.6 安培环路定理 一、无限长直电流的磁场： r d r r r + j d B r q l d r r r a b