大學物理《電磁學》課件

1、,第十五章,穩(wěn)恒磁場,15-1 磁場 磁感應(yīng)強度,一、磁的基本現(xiàn)象,我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國家之一，早在公元前300百年就發(fā)現(xiàn)磁鐵吸引鐵的現(xiàn)象。在十一世紀我國已制造出指南針（司南）(compass)。《山海經(jīng)》中有“山中有磁石者，必有赤金?！薄端?jīng)注》記載，秦始皇的阿房宮有“北闕門”用磁石做成的，以防刺客。,1．磁現(xiàn)象的初期認識,（1）,同號的磁極有相互排斥力，異號的磁極有相互吸引力（磁鐵間相互作用力稱為磁力）,（2）,磁

2、鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說）,（3）,鐵棒可以被磁化,人們最早認識磁現(xiàn)象是從天然磁鐵開（稱天然磁鐵為永恒磁鐵）。 對其基本現(xiàn)象的認識歸納如下：,磁鐵間的相互作用,,二、磁力、磁性的起源,在1820年以前，人們對磁現(xiàn)象的研究僅限于磁極（magniticpole）磁極間的相互作用。而把磁與電分割開來，看作彼此無關(guān)。,奧斯特（Hans Christan Oersted，1777-1851） 丹麥物理學家，發(fā)現(xiàn)了電流對磁

3、針的作用，從而導(dǎo)致了19世紀中葉電磁理論的統(tǒng)一和發(fā)展。,丹麥物理學家奧斯特─一位康德哲學思想的信奉者，就堅信：客觀世界的各種力具有統(tǒng)一性。并開始對電與磁的統(tǒng)一性進行研究。,科學的真正突破，就在于打破思維定勢的束縛，創(chuàng)建新的科學概念。,1820年 4月某天晚上，奧斯特在講課的過程中突然來了靈感，就在快要下課時，奧斯特說，讓我把導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看,于是他毫不猶豫地在大庭廣眾面前接上了電源。,他發(fā)現(xiàn)：閉合電鍵的瞬刻，通電導(dǎo)線附近的磁針

4、微微跳動了一下！這個奧斯特日夜盼望的現(xiàn)象對停課的人毫無影響！但奧斯特卻激動無比，他立刻中止講座回到實驗室，苦苦進行了三個月的連續(xù)實驗研究，終于在 1820年7 月21日發(fā)表了題為《關(guān)于磁針上電流碰撞的實驗》的論文。,這篇僅用 4 頁紙寫成的極其簡潔的實驗報告，向科學界宣布了電流的磁效應(yīng)，轟動整個歐洲。這一天作為劃時代的日子載入史冊。,《電磁學》 就此誕生！,奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即引起法國數(shù)學家物理學家安培（A.M.Ampere）的注意,安

5、培,如果電流激發(fā)的磁場能作用于磁性物質(zhì)，那么它也應(yīng)能作用于電流！,他的想法是：,他在短短的幾個星期內(nèi)對電流的磁效應(yīng)作了系列的研究。發(fā)現(xiàn)不僅電流對磁針有作用，而且兩個電流之間彼此也有作用。安培提出分子電流(molecular current)的假設(shè)。,安培演示電流相互作用的裝置（復(fù)制品）,電流與電流之間的相互作用,,磁場對運動電荷的作用,,,S,磁場對運動電荷的作用,,,N,,,思想深邃的科學家自問：磁鐵究竟是什么？如果磁場是由電荷運動激

6、發(fā)的，那么來自一塊磁鐵的磁場是否也可能是由于電流的的效果呢？,我們得把問題引向一個更深的層次,安培用通電螺線管很好地模擬了一個磁針：,從這個實驗看來，一塊磁鐵，如同一個永恒的環(huán)形電流。,安培還注意到，地球也如同一個大磁鐵，它的南北極指向就如同地球上有自東向西繞行的電流。,安培分子環(huán)流假說,,天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動。,分子電流,電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。,等效環(huán)形電流,,解釋磁現(xiàn)象 ：,（1）.天然磁鐵的磁性（分子流

7、）,（2）.磁化現(xiàn)象（分子磁矩的轉(zhuǎn)向）,人們認識到磁性的根源 ：,電荷的運動 。,現(xiàn)代物理已經(jīng)充分把握，原子核外的電子繞核高速運動，同時電子還有自旋運動。核外電子的這些運動整體上表現(xiàn)為分子環(huán)流，這便是物質(zhì)磁性的基本起源。,不過，安培的分子環(huán)流說至今還只能是一個假說。有三個疑點到現(xiàn)在還未查明：,①磁單極子（magnetic monopole）,所謂磁單極子，就是只有N 極或只有S 極的最小磁性物質(zhì)單元。,從安培的假說能夠解釋為什么不存在磁

8、單極子 ( 單獨的N極或S 極 ) ，這正是分子環(huán)流的結(jié)果。,但是，量子力學的創(chuàng)始人之一狄拉克從相對論性量子理論出發(fā)，預(yù)言磁單極子是應(yīng)該存在的，并且由此可以解釋電荷的量子化。,這種電荷與磁荷的內(nèi)在聯(lián)系，從對稱性的角度看來是十分誘人的。近年來，許多科學家都在致力于對磁單極子的探索。但是這種探索將是十分困難的，據(jù)“大統(tǒng)一”理論，磁單極子應(yīng)該在宇宙演化的極早期（～10-35s）的超高能狀態(tài)（～1023eV、～1027K）下產(chǎn)生，隨著宇宙的膨脹

9、、溫度降低而急劇相變，至今若還有殘存的話，也是極為稀少了。,美國斯坦福大學的一個研究小組在實驗室中安置了一個超導(dǎo)鈮線圈，守株待兔似的企圖捕捉宇宙射線中可能存在的磁單極子從中穿過。1982 年的一天，該小組突然宣布，他們記錄到一個事件，經(jīng)測定與狄拉克預(yù)言的磁單極子穿過該線圈將會引起的磁通量的跳變完全吻合，因而找到了一個磁單極子存在的證據(jù)！,這天正是西方情人節(jié),斯坦福大學的這個探測結(jié)果只是一個不能重現(xiàn)的孤立事件，在沒有其它實驗室認同的情況下

10、，是不能作為對磁單極子的認定結(jié)論的。,正當全世界都在為人們成雙成對慶賀的時候，物理學家卻為他們找到了孤獨的磁單極子而歡呼雀躍！,一位專欄作家幽默地評論道：,所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為,運動電荷 A,A 的磁場,B 的磁場,運動電荷 B,+,,,將一實驗電荷射入磁場，運動電荷在磁場中會受到磁力作用。,對比靜電場場強的定義,①,θ＝0 時Fm= 0，,1. 磁感應(yīng)強度 的定義：,實驗表明,,,,,時Fm達到最大值,②,三、

11、磁感應(yīng)強度(Magnetic Induction),,定義,SI單位：T（特斯拉）,工程單位常用高斯（G）,磁感應(yīng)強度是反映磁場性質(zhì)的物理量，與引入到磁場的運動電荷無關(guān)。,將Fm= 0 時的速度方向定義為 的方向,寫成矢量式,─羅侖茲力,運動電荷受到的磁場力為,解：,例題1 ：,由,,由于,資料,,2.電場與磁場的相對性,靜止電荷 激發(fā) 靜電場,運動電荷 激發(fā) 電場 磁場,靜電場對電荷

12、q 的作用力與它的運動速度無關(guān)。,靜止電荷對運動電荷的作用仍滿足庫侖定律。不因運動而不同。實驗證實了這一點。如在示波管中兩個靜止的平行帶電平板間形成靜電場，對通過板間電子束偏轉(zhuǎn)的實驗測量表明，作用在電子上的力的確與電子速度無關(guān)。都用 來計算。,,電場和磁場都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷的受力情況來檢驗。那么，這兩種場之間到底有什么本質(zhì)的區(qū)別呢？,眾所周知，電荷的靜止與運動都是相對觀察者而言的，我們對運動與靜止的

13、描述依賴于所選擇的參照系，這樣看來，電場和磁場的區(qū)別，也只有相對意義了。,具體地說：給定一試驗電荷，在不同的參照系上，測定該試驗電荷的受力情況從而辨認其周圍空間的電場和磁場，所得描述結(jié)果是不同的。,不同參照系間電場和磁場滿足羅侖茲變換─相對論性關(guān)系。,相對論的建立將告訴我們，電場力和磁場力是同一種性質(zhì)的力。因此，電和磁并不是相互獨立的現(xiàn)象，必須將它們作為一個完整的場─電磁場而結(jié)合在一起認識。,15.2 磁通量 磁場中的高斯定理,1

14、. 磁感應(yīng)線,用磁感應(yīng)線描述磁場的方法是：在磁場中畫一簇曲線，曲線上每一點的切線方向與該點的磁場方向一致，這一簇曲線稱為磁感應(yīng)線。,①方向：,曲線上一點的切線方向和該點的磁場方向一致。,②大小：,磁感應(yīng)線的疏密反映磁場的強弱。,通過無限小面元dS 的磁感應(yīng)線數(shù)目d?m與dS 的比值稱為磁感應(yīng)線密度。我們規(guī)定磁場中某點的磁感應(yīng)強度的值等于該點的磁感應(yīng)線密度。,③性質(zhì)：,磁感應(yīng)線是無頭無尾的閉合曲線，磁場中任 意兩條磁感應(yīng)線不相交。磁

15、感應(yīng)線與電流線鉸鏈,又稱磁通密度 (magnetic flux density),直線電流的磁感應(yīng)線,,圓電流的磁感應(yīng)線,,通電螺線管的磁感應(yīng)線,,中子星的磁感應(yīng)線,,2. 磁通量（magnetic flux）,通過磁場中任一面積的磁感應(yīng)線數(shù)稱為通過該面的磁通量，用?m 表示。,①均勻磁場，磁感應(yīng)線垂直通過S,②均勻磁場，S 法線方向與磁場方向成? 角,③磁場不均勻，S 為任意曲面,④S 為任意閉合曲面,規(guī)定：dS正方向為曲面上由內(nèi)向