大學物理第九章磁場12024/3/26目錄磁場基本概念與性質恒定電流產生磁場磁場對運動電荷作用鐵磁物質與磁化現象電磁感應與自感互感現象電磁波簡介與麥克斯韋方程組22024/3/26磁場基本概念與性質0132024/3/26磁場定義及描述方法磁場是由運動電荷或電流產生的特殊物質形態，存在于磁體或通電螺線管等周圍空間中。描述磁場的方法主要有兩種：一種是通過磁感應強度來描述磁場的強弱和方向；另一種是通過磁力線來形象地表示磁場的分布和方向。42024/3/260102磁感應強度與方向在國際單位制中，磁感應強度的方向定義為小磁針靜止時N極所指的方向，即磁場中某點的磁場方向。磁感應強度是描述磁場強弱和方向的物理量，用符號B表示，單位為特斯拉（T）。52024/3/26磁力線是描述磁場分布和方向的曲線，其切線方向表示該點的磁場方向。磁力線的特點包括：不相交、不中斷、不閉合（在磁體外部），以及磁力線的疏密程度表示磁場的強弱。磁力線及其特點62024/3/26在磁場中，不同物質具有不同的磁性表現，可分為鐵磁性、順磁性、抗磁性等。鐵磁性物質在磁場中會被強烈吸引，具有較大的磁矩；順磁性物質在磁場中會被輕微吸引，具有較小的磁矩；抗磁性物質在磁場中會被排斥，具有負的磁矩。物質在磁場中的性質與其內部電子的自旋和軌道運動有關，這些運動產生的磁矩與外加磁場相互作用，導致物質表現出不同的磁性。磁場中物質性質72024/3/26恒定電流產生磁場0282024/3/26奧斯特實驗首次揭示了電流能夠產生磁場的現象，為電磁學的發展奠定了基礎。安培環路定理描述了磁場與電流之間的關系，即磁場強度沿任意閉合路徑的線積分等于穿過該路徑所包圍面積的電流的總和。該定理為計算恒定電流產生的磁場提供了重要方法。奧斯特實驗與安培環路定理92024/3/26長直導線周圍的磁場方向遵循右手螺旋定則，即右手握住導線，大拇指指向電流方向，四指彎曲方向即為磁場方向。距離長直導線r處的磁場強度B與電流I成正比，與距離r成反比，即B=μ0I/2πr（μ0為真空磁導率）。長直導線周圍磁場分布磁場強度磁場方向102024/3/26磁場方向圓形載流導線周圍的磁場方向同樣遵循右手螺旋定則，即右手握住導線，大拇指指向電流方向，四指彎曲方向即為磁場方向。磁場強度在圓形載流導線的軸線上，距離圓心r處的磁場強度B與電流I和導線半徑R有關，具體表達式為B=μ0IR/2(R^2+r^2)^(3/2)。圓形載流導線周圍磁場分布112024/3/26螺線管內部和外部磁場特點螺線管內部磁場螺線管內部的磁場近似于均勻磁場，其方向與螺線管的軸線平行。當螺線管通以恒定電流時，內部磁場強度B與電流I、螺線管匝數N和長度L有關，具體表達式為B=μ0NI/L。螺線管外部磁場螺線管外部的磁場分布與長直導線相似，即隨著距離的增加而逐漸減弱。在螺線管外部靠近軸線處，磁場強度較大；而在遠離軸線處，磁場強度迅速減小。122024/3/26磁場對運動電荷作用03132024/3/26$F=qvBsintheta$，其中$q$是電荷量，$v$是電荷速度，$B$是磁感應強度，$theta$是電荷速度與磁場方向的夾角。洛倫茲力公式根據左手定則，伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向（或正電荷運動方向），這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向（或運動電荷所受洛倫茲力的方向）。方向判斷洛倫茲力公式及方向判斷142024/3/26勻速圓周運動當帶電粒子以速度$v$垂直于磁感線射入勻強磁場時，洛倫茲力提供向心力，粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。螺旋運動當帶電粒子以速度$v$與磁感線成一定角度射入勻強磁場時，粒子在勻強磁場中做螺旋運動。帶電粒子在均勻磁場中運動規律152024/3/26霍爾效應原理及應用當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就稱為霍爾效應。霍爾效應原理利用霍爾效應可以測量磁場、電流、電子濃度等物理量。在半導體上產生的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的霍爾元件，是以半導體為材料而制成的磁電轉換器件。霍爾效應應用162024/3/26鐵磁物質與磁化現象04172024/3/26鐵磁物質主要分為鐵、鈷、鎳及其合金等。鐵磁物質的分類具有高的磁導率，能夠被強烈磁化并保留磁性。鐵磁物質的特點鐵磁物質分類及特點182024/3/26VS鐵磁物質內部存在許多小區域，每個小區域內的原子磁矩自發平行排列，形成磁疇。自發磁化現象在無外加磁場時，由于熱運動，鐵磁物質內部各磁疇的磁矩方向隨機分布，整體不顯磁性。當溫度降低至某一特定值以下時，鐵磁物質內部相鄰磁疇的磁矩會自發地轉向同一方向，形成自發磁化現象。磁疇結構磁疇結構和自發磁化現象192024/3/26010203當外加磁場逐漸增強時，鐵磁物質的磁感應強度B隨磁場強度H的增加而迅速上升，形成初始磁化曲線。初始磁化曲線隨著外加磁場繼續增強，鐵磁物質的磁感應強度B逐漸趨于飽和，此時鐵磁物質被完全磁化。飽和磁化現象當外加磁場消失后，鐵磁物質仍保留一定的磁性，稱為剩磁。要使鐵磁物質完全退磁，需要施加反向磁場，這個反向磁場稱為矯頑力。剩磁和矯頑力鐵磁物質在外加磁場中行為202024/3/26當鐵磁物質被加熱到某一溫度以上時，其磁性會突然消失，這種現象稱為退磁現象。鐵磁物質開始失去自發磁性的溫度稱為居里溫度。不同種類的鐵磁物質具有不同的居里溫度。例如，鐵的居里溫度為770°C左右。退磁現象居里溫度退磁現象和居里溫度212024/3/26電磁感應與自感互感現象05222024/3/26法拉第電磁感應定律的內容當導體回路在變化的磁場中或在恒定的磁場中作相對運動時，導體回路中就會產生感應電動勢，其大小與穿過回路的磁通量的變化率成正比。法拉第電磁感應定律的應用用于計算感應電動勢的大小，從而分析電磁感應現象。法拉第電磁感應定律232024/3/26楞次定律的內容感應電流的方向總是要使感應電流的磁場阻礙引起感應電流的磁通量的變化。楞次定律的應用判斷感應電流的方向，分析電磁感應現象。楞次定律與法拉第電磁感應定律的關系兩者都是描述電磁感應現象的規律，但側重點不同。法拉第電磁感應定律側重于定量計算，而楞次定律側重于定性分析。楞次定律及其應用242024/3/26自感系數的定義表示線圈產生自感現象能力大小的物理量，用L表示，單位是亨利（H）。自感系數的計算L=Φ/I，其中Φ為線圈中的磁通量，I為線圈中的電流。自感現象的定義當一個線圈中的電流發生變化時，它所產生的磁通量也會發生變化，從而在線圈自身中產生感應電動勢的現象。自感現象和自感系數252024/3/26互感現象和互感系數兩個相鄰的線圈，當一個線圈中的電流發生變化時，它所產生的磁通量會穿過另一個線圈，從而在另一個線圈中產生感應電動勢的現象。互感系數的定義表示兩個線圈之間互感現象能力大小的物理量，用M表示，單位是亨利（H）。互感系數的計算M=(dΦ2)/(dI1)，其中Φ2為線圈2中的磁通量，I1為線圈1中的電流。互感現象的定義262024/3/26電磁波簡介與麥克斯韋方程組06272024/3/26產生條件變化的電場和磁場相互激發，形成電磁波。要點一要點二傳播特性電磁波在真空中以光速傳播，不需要介質支持；具有橫波性質，電場和磁場振動方向與傳播方向垂直；遵守疊加原理，多個電磁波在同一空間傳播時互不干擾。電磁波產生條件及傳播特性282024/3/26內容麥克斯韋方程組包括四個基本方程，分別描述電荷如何產生電場（高斯定律）、磁單極子不存在（高斯磁定律）、電流和時變電場怎樣產生磁場（麥克斯韋-安培定律）、以及時變磁場如何產生電場（法拉第感應定律）。意義麥克斯韋方程組統一了電學和磁學的基本規律，揭示了電磁波的存在和傳播規律，為電磁理論的發展奠定了基礎。麥克斯韋方程組內容和意義292024/3/26通信領域利用無線電波進行遠距離通信，如手機、廣播、電視等。電磁波譜按照頻率從低到高，電磁波