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大学物理第5章电流与磁场教学课件

目录

电流与磁场基本概念

稳恒电流产生磁场规律

磁场对载流导线作用力

铁磁物质在磁场中表现特性

电磁感应现象和规律

交流电产生、传输和应用

01

电流与磁场基本概念

电流定义

电荷的定向移动形成电流。

方向规定

正电荷定向移动的方向为电流方向。

磁体周围存在着一种物质，能使磁针偏转，这种物质叫做磁场。

磁场概念

对放入其中的磁体产生力的作用。

磁场性质

任意两条磁感线不相交。

磁感线的疏密表示磁场的强弱，磁感线越密的地方磁场越强，磁感线越疏的地方磁场越弱。

磁感线是闭合曲线，在磁体外部是北极指向南极，在磁体内部是南极指向北极。

磁感线定义：在磁场中画一些有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向都表示该点的磁场方向，这样的曲线叫做磁感线。

磁感线特点

判断通电直导线周围的磁场方向。

例题1

根据右手定则，伸出右手，让大拇指所指的方向与电流方向一致，则四指弯曲的方向就是磁场方向。

解析

判断通电螺线管周围的磁场方向。

例题2

根据安培定则，用右手握住螺线管，让四指弯曲的方向与电流方向一致，则大拇指所指的方向就是螺线管北极的方向。

解析

02

稳恒电流产生磁场规律

首次揭示了电流周围存在磁场的现象，为电磁学的发展奠定了基础。

描述了稳恒电流元在空间任一点产生的磁场的环流（即磁场矢量的线积分）与电流元之间的关系，是计算磁场分布的重要定理。

安培环路定理

奥斯特实验

毕奥-萨伐尔定律

给出了电流元在空间任一点产生的磁场的磁感应强度的公式，是计算磁场强度的基本方法。

应用

利用毕奥-萨伐尔定律可以求解各种形状载流导线在空间产生的磁场分布，如无限长直导线、圆电流环、螺线管等。

磁场叠加原理

空间任一点的磁场是各电流元在该点产生的磁场的矢量和，这是计算复杂电流分布产生磁场的基本原则。

计算实例

通过具体实例展示如何利用磁场叠加原理求解多个电流元在空间某点产生的总磁场。

例题1

分析并求解无限长直导线通以稳恒电流时，其周围空间的磁场分布。

例题2

讨论并计算圆电流环中心轴线上的磁场分布，并分析其特点。

例题3

针对螺线管通以稳恒电流的情况，求解其内部和外部空间的磁场分布，并进行讨论。

03

磁场对载流导线作用力

安培力公式

$F=BILsintheta$，其中$B$为磁感应强度，$I$为导线中电流，$L$为导线在磁场中的有效长度，$theta$为电流方向与磁场方向的夹角。

方向判断

使用左手定则，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。

$F=qvBsintheta$，其中$q$为带电粒子所带电荷量，$v$为带电粒子速度，$B$为磁感应强度，$theta$为粒子速度方向与磁场方向的夹角。

洛伦兹力公式

使用左手定则，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向（或负电荷运动的反方向），这时拇指所指的方向就是带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的方向。

方向判断

VS

当一载流导体被置于磁场中时，如果磁场方向与电流方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，这个现象称为霍尔效应。

应用

霍尔效应在半导体材料中表现尤为明显，因此被广泛应用于半导体器件中。例如，霍尔元件可用于测量磁场、电流、电压等物理量；霍尔传感器可用于位置、速度、角度等测量；霍尔开关可用于无触点开关、接近开关等。

霍尔效应原理

一长为$L$的直导线置于匀强磁场中，导线与磁场方向垂直。当导线中通以电流$I$时，导线受到的安培力大小为$F$。现将导线长度缩短为原来的一半，电流大小变为原来的两倍，则导线受到的安培力大小变为多少？

例题1

根据安培力公式$F=BIL$可知，当导线长度缩短为原来的一半时，有效长度变为$frac{L}{2}$；当电流大小变为原来的两倍时，即$2I$。因此新的安培力大小为$F=Bcdot2Icdotfrac{L}{2}=F$。

分析

一带电粒子以速度$v$射入某一匀强磁场中，粒子在磁场中做匀速圆周运动。若要使粒子的速度增大一倍而仍做匀速圆周运动，则磁感应强度应如何变化？

例题2

根据洛伦兹力提供向心力有$qvB=mfrac{v^2}{r}$可得半径公式$r=frac{mv}{qB}$。当速度增大一倍时即$2v$时，要保持半径不变则磁感应强度应增大一倍即$2B$。

分析

04

铁磁物质在磁场中表现特性

铁磁物质主要分为铁、钴、镍及其合金等。

铁磁物质分类

具有自发磁化现象，即在无外磁场作用下，铁磁物质内部存在许多自发磁化的小区域，称为磁畴。

铁磁物质特点

磁滞现象

01

铁磁物质在交变磁场中，磁感应强度B