大學(xué)物理《電磁學(xué)》課件

1、,第十五章,穩(wěn)恒磁場(chǎng),15-1 磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度,一、磁的基本現(xiàn)象,我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國(guó)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(jì)我國(guó)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(mén)”用磁石做成的，以防刺客。,1．磁現(xiàn)象的初期認(rèn)識(shí),（1）,同號(hào)的磁極有相互排斥力，異號(hào)的磁極有相互吸引力（磁鐵間相互作用力稱(chēng)為磁力）,（2）,磁

2、鐵分割成小段，小段仍有兩極（磁荷假說(shuō)）,（3）,鐵棒可以被磁化,人們最早認(rèn)識(shí)磁現(xiàn)象是從天然磁鐵開(kāi)（稱(chēng)天然磁鐵為永恒磁鐵）。 對(duì)其基本現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)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(duì)磁現(xiàn)象的研究?jī)H限于磁極（magniticpole）磁極間的相互作用。而把磁與電分割開(kāi)來(lái)，看作彼此無(wú)關(guān)。,奧斯特（Hans Christan Oersted，1777-1851） 丹麥物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了電流對(duì)磁

3、針的作用，從而導(dǎo)致了19世紀(jì)中葉電磁理論的統(tǒng)一和發(fā)展。,丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特─一位康德哲學(xué)思想的信奉者，就堅(jiān)信：客觀(guān)世界的各種力具有統(tǒng)一性。并開(kāi)始對(duì)電與磁的統(tǒng)一性進(jìn)行研究。,科學(xué)的真正突破，就在于打破思維定勢(shì)的束縛，創(chuàng)建新的科學(xué)概念。,1820年 4月某天晚上，奧斯特在講課的過(guò)程中突然來(lái)了靈感，就在快要下課時(shí)，奧斯特說(shuō)，讓我把導(dǎo)線(xiàn)與磁針平行放置來(lái)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(xiàn)附近的磁針

4、微微跳動(dòng)了一下！這個(gè)奧斯特日夜盼望的現(xiàn)象對(duì)停課的人毫無(wú)影響！但奧斯特卻激動(dòng)無(wú)比，他立刻中止講座回到實(shí)驗(yàn)室，苦苦進(jìn)行了三個(gè)月的連續(xù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)》的論文。,這篇僅用 4 頁(yè)紙寫(xiě)成的極其簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，向科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)，轟動(dòng)整個(gè)歐洲。這一天作為劃時(shí)代的日子載入史冊(cè)。,《電磁學(xué)》 就此誕生！,奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即引起法國(guó)數(shù)學(xué)家物理學(xué)家安培（A.M.Ampere）的注意,安

5、培,如果電流激發(fā)的磁場(chǎng)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(gè)星期內(nèi)對(duì)電流的磁效應(yīng)作了系列的研究。發(fā)現(xiàn)不僅電流對(duì)磁針有作用，而且兩個(gè)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(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用,,,S,磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用,,,N,,,思想深邃的科學(xué)家自問(wèn)：磁鐵究竟是什么？如果磁場(chǎng)是由電荷運(yùn)動(dòng)激

6、發(fā)的，那么來(lái)自一塊磁鐵的磁場(chǎng)是否也可能是由于電流的的效果呢？,我們得把問(wèn)題引向一個(gè)更深的層次,安培用通電螺線(xiàn)管很好地模擬了一個(gè)磁針：,從這個(gè)實(shí)驗(yàn)看來(lái)，一塊磁鐵，如同一個(gè)永恒的環(huán)形電流。,安培還注意到，地球也如同一個(gè)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(shuō),,天然磁性的產(chǎn)生也是由于磁體內(nèi)部有電流流動(dòng)。,分子電流,電荷的運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)到磁性的根源 ：,電荷的運(yùn)動(dòng) 。,現(xiàn)代物理已經(jīng)充分把握，原子核外的電子繞核高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子還有自旋運(yùn)動(dòng)。核外電子的這些運(yùn)動(dòng)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(guò)，安培的分子環(huán)流說(shuō)至今還只能是一個(gè)假說(shuō)。有三個(gè)疑點(diǎn)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(shuō)能夠解釋為什么不存在磁

8、單極子 ( 單獨(dú)的N極或S 極 ) ，這正是分子環(huán)流的結(jié)果。,但是，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一狄拉克從相對(duì)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(duì)稱(chēng)性的角度看來(lái)是十分誘人的。近年來(lái)，許多科學(xué)家都在致力于對(duì)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(huà)，也是極為稀少了。,美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組在實(shí)驗(yàn)室中安置了一個(gè)超導(dǎo)鈮線(xiàn)圈，守株待兔似的企圖捕捉宇宙射線(xiàn)中可能存在的磁單極子從中穿過(guò)。1982 年的一天，該小組突然宣布，他們記錄到一個(gè)事件，經(jīng)測(cè)定與狄拉克預(yù)言的磁單極子穿過(guò)該線(xiàn)圈將會(huì)引起的磁通量的跳變完全吻合，因而找到了一個(gè)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(xué)的這個(gè)探測(cè)結(jié)果只是一個(gè)不能重現(xiàn)的孤立事件，在沒(méi)有其它實(shí)驗(yàn)室認(rèn)同的情況下

10、，是不能作為對(duì)磁單極子的認(rèn)定結(jié)論的。,正當(dāng)全世界都在為人們成雙成對(duì)慶賀的時(shí)候，物理學(xué)家卻為他們找到了孤獨(dú)的磁單極子而歡呼雀躍！,一位專(zhuān)欄作家幽默地評(píng)論道：,所有磁現(xiàn)象可歸結(jié)為,運(yùn)動(dòng)電荷 A,A 的磁場(chǎng),B 的磁場(chǎng),運(yùn)動(dòng)電荷 B,+,,,將一實(shí)驗(yàn)電荷射入磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力作用。,對(duì)比靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的定義,①,θ＝0 時(shí)Fm= 0，,1. 磁感應(yīng)強(qiáng)度 的定義：,實(shí)驗(yàn)表明,,,,,時(shí)Fm達(dá)到最大值,②,三、

11、磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度是反映磁場(chǎng)性質(zhì)的物理量，與引入到磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)電荷無(wú)關(guān)。,將Fm= 0 時(shí)的速度方向定義為 的方向,寫(xiě)成矢量式,─羅侖茲力,運(yùn)動(dòng)電荷受到的磁場(chǎng)力為,解：,例題1 ：,由,,由于,資料,,2.電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相對(duì)性,靜止電荷 激發(fā) 靜電場(chǎng),運(yùn)動(dòng)電荷 激發(fā) 電場(chǎng) 磁場(chǎng),靜電場(chǎng)對(duì)電荷

12、q 的作用力與它的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。,靜止電荷對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用仍滿(mǎn)足庫(kù)侖定律。不因運(yùn)動(dòng)而不同。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。如在示波管中兩個(gè)靜止的平行帶電平板間形成靜電場(chǎng)，對(duì)通過(guò)板間電子束偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，作用在電子上的力的確與電子速度無(wú)關(guān)。都用 來(lái)計(jì)算。,,電場(chǎng)和磁場(chǎng)都由電荷產(chǎn)生，也都由電荷的受力情況來(lái)檢驗(yàn)。那么，這兩種場(chǎng)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(yùn)動(dòng)都是相對(duì)觀(guān)察者而言的，我們對(duì)運(yùn)動(dòng)與靜止的

13、描述依賴(lài)于所選擇的參照系，這樣看來(lái)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的區(qū)別，也只有相對(duì)意義了。,具體地說(shuō)：給定一試驗(yàn)電荷，在不同的參照系上，測(cè)定該試驗(yàn)電荷的受力情況從而辨認(rèn)其周?chē)臻g的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，所得描述結(jié)果是不同的。,不同參照系間電場(chǎng)和磁場(chǎng)滿(mǎn)足羅侖茲變換─相對(duì)論性關(guān)系。,相對(duì)論的建立將告訴我們，電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力是同一種性質(zhì)的力。因此，電和磁并不是相互獨(dú)立的現(xiàn)象，必須將它們作為一個(gè)完整的場(chǎng)─電磁場(chǎng)而結(jié)合在一起認(rèn)識(shí)。,15.2 磁通量 磁場(chǎng)中的高斯定理,1

14、. 磁感應(yīng)線(xiàn),用磁感應(yīng)線(xiàn)描述磁場(chǎng)的方法是：在磁場(chǎng)中畫(huà)一簇曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上每一點(diǎn)的切線(xiàn)方向與該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向一致，這一簇曲線(xiàn)稱(chēng)為磁感應(yīng)線(xiàn)。,①方向：,曲線(xiàn)上一點(diǎn)的切線(xiàn)方向和該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向一致。,②大?。?磁感應(yīng)線(xiàn)的疏密反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。,通過(guò)無(wú)限小面元dS 的磁感應(yīng)線(xiàn)數(shù)目d?m與dS 的比值稱(chēng)為磁感應(yīng)線(xiàn)密度。我們規(guī)定磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的值等于該點(diǎn)的磁感應(yīng)線(xiàn)密度。,③性質(zhì)：,磁感應(yīng)線(xiàn)是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線(xiàn)，磁場(chǎng)中任 意兩條磁感應(yīng)線(xiàn)不相交。磁

15、感應(yīng)線(xiàn)與電流線(xiàn)鉸鏈,又稱(chēng)磁通密度 (magnetic flux density),直線(xiàn)電流的磁感應(yīng)線(xiàn),,圓電流的磁感應(yīng)線(xiàn),,通電螺線(xiàn)管的磁感應(yīng)線(xiàn),,中子星的磁感應(yīng)線(xiàn),,2. 磁通量（magnetic flux）,通過(guò)磁場(chǎng)中任一面積的磁感應(yīng)線(xiàn)數(shù)稱(chēng)為通過(guò)該面的磁通量，用?m 表示。,①均勻磁場(chǎng)，磁感應(yīng)線(xiàn)垂直通過(guò)S,②均勻磁場(chǎng)，S 法線(xiàn)方向與磁場(chǎng)方向成? 角,③磁場(chǎng)不均勻，S 為任意曲面,④S 為任意閉合曲面,規(guī)定：dS正方向?yàn)榍嫔嫌蓛?nèi)向