大学物理《电磁学》PPT课件

2 2 B Bx B y 0.1T
Bz tan 0.57 Bx
300
～1012T ～106T ～7×104T ～0.3T ～10-2T ～5×10-5T ～3×10-10T
资料
原子核表面 中子星表面 目前最强人工磁场 太阳黑子内部 太阳表面 地球表面 人体
2.电场与磁场的相对性
S应线是闭 合的，因此它在任 意封闭曲面的一侧 穿入，必在另一侧 全部穿出。
↑载流螺线管的磁感应线 ←载流直导线的磁感应线 比较
1 e E dS
S
0
Q
dV
静电场中高斯定理反映静电场是有源场；
m B dS 0
安 培 演 示 电 流 相 互 作 用 的 装 置 （ 复 制 品 ）
电流与电流之间的相互作用
I
F F
I
电流与电流之间的相互作用
I F
F
I
磁场对运动电荷的作用
电子束
+
磁场对运动电荷的作用
电子束
S N
+
我们得把问题引向一个更深的层次 思想深邃的科学家自问：磁铁究竟是什么？如 果磁场是由电荷运动激发的，那么来自一块磁铁的 磁场是否也可能是由于电流的的效果呢？ 安培用通电螺线管很好地模拟了一个磁针：
①方向： 曲线上一点的切 线方向和该点的磁场 方向一致。 ②大小：
磁感应线的疏密反映磁场的强弱。
B
③性质： •磁感应线是无头无尾的闭合曲线，磁场中任 意两条磁感应线不相交。 •磁感应线与电流线铰链 通过无限小面元dS 的磁感应线数目dm与dS 的 比值称为磁感应线密度。我们规定磁场中某点的磁


2
时Fm达到最大值
v
θ＝0 时Fm= 0，
将Fm= 0 时的速度方向定义为 B 的方向
Fm (v , B)
Fm 定义 B q0 v sin
SI单位：T（特斯拉） 工程单位常用高斯（G）
B q0
Fm
v
1T 104 G
磁感应强度是反映磁场性质的物理量， 与引入到磁场的运动电荷无关。
S
稳恒磁场的高斯定理反映稳恒磁场是无源场。
《电磁学》 就此诞生！
奥斯特的发现立即引起法 国数学家物理学家安培 （A.M.Ampere）的注意
他的想法是：
如果电流激发的磁场能作用于磁 性物质，那么它也应能作用于电流！ 安培
他在短短的几个星期内对电流的磁效应作了系 列的研究。发现不仅电流对磁针有作用，而且两个 电流之间彼此也有作用。安培提出分子电流 (molecular current)的假设。
电场和磁场都由电荷产生，也都由电荷的受力 情况来检验。那么，这两种场之间到底有什么本质 的区别呢？ 众所周知，电荷的静止与运动都是相对观察者 而言的，我们对运动与静止的描述依赖于所选择的 参照系，这样看来，电场和磁场的区别，也只有相 对意义了。 具体地说：给定一试验电荷，在不同的参照系 上，测定该试验电荷的受力情况从而辨认其周围空 间的电场和磁场，所得描述结果是不同的。
I
I
从这个实验看来，一块磁铁， 如同一个永恒的环形电流。
I I
安培还注意到，地球也如同一个大磁铁，它的 南北极指向就如同地球上有自东向西绕行的电流。
安培分子环流假说 天然磁性的产生也是由于磁体内部有电流流动。 分子电流
n
I
N
S
等效环形电流 电荷的运动是一切磁现象的根源。
解释磁现象 ：
（1）.天然磁铁的磁性（分子流） （2）.磁化现象（分子磁矩的转向）
不同参照系间电场和磁场满足罗仑兹变换─相 对论性关系。
相对论的建立将告诉 我们，电场力和磁场力是 同一种性质的力。因此， 电和磁并不是相互独立的 现象，必须将它们作为一 个完整的场─电磁场而结 合在一起认识。
15.2 磁通量 磁场中的高斯定理
1. 磁感应线 用磁感应线描述磁场的方法是：在磁场中画一 簇曲线，曲线上每一点的切线方向与该点的磁场方 向一致，这一簇曲线称为磁感应线。
所谓磁单极子，就是只有N 极或只有S 极的最 小磁性物质单元。
N N
S
N
S
S
N
S
从安培的假说能够解释为什么不存在磁单极子 ( 单独的N极或S 极 ) ，这正是分子环流的结果。
但是，量子力学的创始人之一狄拉克从相对论 性量子理论出发，预言磁单极子是应该存在的，并 且由此可以解释电荷的量子化。
这种电荷与磁荷的内在联系，从对称性的角度看 来是十分诱人的。近年来，许多科学家都在致力于对 磁单极子的探索。但是这种探索将是十分困难的，据 “大统一”理论，磁单极子应该在宇宙演化的极早期 （～10-35s）的超高能状态（～1023eV、～1027K）下 产生，随着宇宙的膨胀、温度降低而急剧相变，至今 若还有残存的话，也是极为稀少了。
人们认识到磁性的根源 ：
电荷的运动 。
现代物理已经充分把握，原子核外的电子绕核 高速运动，同时电子还有自旋运动。核外电子的这 些运动整体上表现为分子环流，这便是物质磁性的 基本起源。
不过，安培的分子环流说至今还只能是一个假 说。有三个疑点到现在还未查明：
①磁单极子（magnetic monopole）
于是他毫不犹豫地在大庭广众面前接上了电源。
他发现：闭合电键的瞬刻，通电导线附近的磁针 微微跳动了一下！这个奥斯特日夜盼望的现象对停课 的人毫无影响！但奥斯特却激动无比，他立刻中止讲 座回到实验室，苦苦进行了三个月的连续实验研究， 终于在 1820年7 月21日发表了题为《关于磁针上电流 碰撞的实验》的论文。 这篇仅用 4 页纸写成的极其简洁的实验报告，向 科学界宣布了电流的磁效应，轰动整个欧洲。这一天 作为划时代的日子载入史册。
解：由 Fm qv B 由于 Fm (v , B) B y 0 i j k F e 0 v y 0 e (v y Bz i v y Bx k )
Bx
Fz e v y Bx
0
Bz
Bx Fz e vy 8.69 10-2 T
作
用于
B的 磁场
产
生
三、磁感应强度(Magnetic Induction) 1. 磁感应强度 B 的定义： F q0 E 对比静电场场强的定义 将一实验电荷射入磁场，运动电荷在磁场中 会受到磁力作用。
① Fm v
实验表明
Fm
② Fm q0v sin
q0

15-1 磁场 磁感应强度
一、磁的基本现象 1．磁现象的初期认识 我国是世界上最早发现和应用磁现象的国家之 一，早在公元前300百年就发现磁铁吸引铁的现象。 在十一世纪我国已制造出指南针（司南） (compass)。《山海经》中有“山中有磁石者，必 有赤金。”《水经注》记载，秦始皇的阿房宫有 “北阙门”用磁石做成的，以防刺客。
人们最早认识磁现象是从天然磁铁开（称 天然磁铁为永恒磁铁）。 对其基本现象的认识归纳如下： （1） 同号的磁极有相互排斥力，异号的磁极有相 互吸引力 （磁铁间相互作用力称为磁力）
（2）磁铁分割成小段，小段仍有两极（磁荷假说）
（3） 铁棒可以被磁化 磁铁间的相互作用 S N S N
二、磁力、磁性的起源 在1820年以前，人们对 磁现象的研究仅限于磁极 （magniticpole）磁极间的 相互作用。而把磁与电分割 开来，看作彼此无关。
感应强度的值等于该点的磁感应线密度。
ds
B
d m B ds
又称磁通密度 (magnetic flux density)
直线电流的磁感应线
I I
B
圆电流的磁感应线
B
I
I
通电螺线管的磁感应线
I
中子星的磁感应线
2. 磁通量（magnetic flux） 通过磁场中任一面积的磁感应线数称为通过 该面的磁通量，用m 表示。 ①均匀磁场，磁感应线垂直通过S
S
规定：dS正方向为曲面上由内向外的法线方向。
则
磁感应线穿入， m 为负；穿出， m 为正。
S
B
m BS

S

n
B
m B S BS cos
S dS

n
B
S dS

n
B
m B dS BdS cos
丹麦物理学家奥斯特─一 位康德哲学思想的信奉者，就 坚信：客观世界的各种力具有 统一性。并开始对电与磁的统 一性进行研究。
奥斯特（Hans Christan Oersted， 1777-1851） 丹麦物理学家，发现 了电流对磁针的作用， 从而导致了19世纪中 叶电磁理论的统一和 发展。
科学的真正突破，就在于打破思维定势的束缚， 创建新的科学概念。 1820年 4月某天晚上，奥斯特在讲课的过程中突 然来了灵感，就在快要下课时，奥斯特说，让我把导 线与磁针平行放臵来试试看
S
B
m BS
②均匀磁场，S 法线方向与磁场方向成 角
S


n
B
m BS cos B S
③磁场不均匀，S 为任意曲面 d m BdS cosθ B dS ④S 为任意闭合曲面
S
m B dS
S
m BdS cos θ B dS
静止电荷 激发 静电场 运动电荷 激发 电场
磁场
静电场对电荷 q 的作用力与它的运动速度无关。
静止电荷对运动电荷的作用仍满足库仑定律。 不因运动而不同。实验证实了这一点。如在示波管 中两个静止的平行带电平板间形成静电场，对通过 板间电子束偏转的实验测量表明，作用在电子上的 力的确与电子速度无关。都用 Fe qE 来计算。