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1、1,第12章 恒定磁场,磁约束核聚变研究装置,2,12.1 磁场磁感应强度,一.基本磁现象：,磁体,磁体,电流,电流,安培提出:,一切磁现象起源于电荷运动，“分子电流”假说。,运动电荷,运动电荷,磁场,3,磁场：在运动电荷（或电流）的周围存在一种特殊的物质，这就是“磁场”。磁场对位于其中的运动电荷（或电流）有磁场力的作用。,磁场的性质：,(1)对运动电荷(或电流)有力的作用;,(2)磁场有能量,“稳恒磁场”：在稳恒电流周围产生的不随时间变化的磁场。,4,三.磁感应强度：用运动电荷在磁场中受力来定义B。,1、方向：当运动电荷在磁场中某一方向运动时，它不受磁场力的作用，这一方向恰是该位置处小磁针N
2、所指的方向。我们规定：小磁针北极N所指的方向就是该点磁感应强度B的方向。2、大小：实验发现，沿着B垂直方向运动时，运动电荷所受的磁场力最大为Fmax，Fmax与电荷电量q及电荷运动速率v成正比，而Fmax与qv的比值是一个仅与场点位置有关的物理量，这个比值就定义为磁感应强度B的大小：,5,9.2 毕奥萨伐尔定律,一.电流元：在任一段载流导线上，如果通有电流 I，在导线回路上取任一无限短的一段dl,其方向为该点电流的方向，则 定义为电流元。,I,6,二.毕奥萨伐尔定律:,静电场:,取,磁 场：,取,毕萨定律：,单位矢量,真空中的磁导率,大小：,方向：右螺旋法则,?,?,?,7,例如：,三.毕萨定
3、律的应用:,1.载流直导线的磁场,I,解,求距离载流直导线为a 处一点P 的磁感应强度,8,根据几何关系,9,(1)无限长直导线,方向：右螺旋法则,(2)任意形状直导线,I,1,2,讨 论:,10,2.载流圆线圈的磁场：,求轴线上一点 P 的磁感应强度,根据对称性,方向满足右手定则,11,(1),载流圆线圈的圆心处,(2)一段圆弧在圆心处产生的磁场,如果由N 匝圆线圈组成,右图中，求O 点的磁感应强度,I,1,2,3,解,例如,讨 论,12,(3),S,定义,磁矩,13,求绕轴旋转的带电圆盘轴线上的磁场和圆盘的磁矩,解,P,例,14,圆盘圆心处,方向沿 x 轴正向,3.载流螺线管轴线上的磁场,
4、I,已知螺线管半径为R,单位长度上有n 匝,15,(1)无限长载流螺线管,讨 论:,(2)半无限长载流螺线管,16,三.运动电荷的磁场:,q,电流元内总电荷数,一个电荷产生的磁场,17,如图的导线，已知电荷线密度为，当绕 O 点以 转动时,解,1,2,3,4,线段1：,O 点的磁感应强度,例,求,线段2：,同理,18,线段3：,线段4：,同理,19,12.3 磁场的高斯定理,静电场：,磁 场：,静电场是有源场,一.磁力线:,1.规定:,(1)方向：磁力线切线方向为磁感应强度,的单位面积上穿过的磁力线条数为磁感,的方向,(2)大小：垂直,应强度,的大小,2.磁力线的特征:,(1)无头无尾的闭合曲
5、线,20,(2)与电流相互套连，服从右手螺旋定则,(3)磁力线不相交,二.磁通量:,通过面元的磁力线条数,通过该面元的磁通量,对于有限曲面,磁力线穿入,对于闭合曲面,规定,磁力线穿出,21,三.磁场的高斯定理:,磁场线都是闭合曲线,(磁高斯定理),电流产生的磁感应线既没有起始点，也没有终止点，即磁场线既没有源头，也没有尾闾,磁场是无源场（涡旋场）,例,证明在 磁力线 为平行直线的空间中，同一根磁力线 上各点的磁感应强度值相等。,解:,22,12.4 磁场的安培环路定理,一.磁场的安培环路定理:,静电场:,静电场是保守场,磁 场:,以无限长载流直导线为例,磁场的环流与环路中所包围的电流有关,23
6、,若环路中不包围电流的情况？,若环路方向反向，情况如何？,对一对线元来说,环路不包围电流，则磁场环流为零,24,推广到一般情况,在环路 L 中,在环路 L 外,则磁场环流为,安培环路定律,恒定电流的磁场中，磁感应强度沿一闭合路径 L 的线积分等于路径 L 包围的电流强度的代数和的,倍,环路上各点的磁场为所有电流的贡献,25,(1)积分回路方向与电流方向呈右螺旋关系,满足右螺旋关系时,反之,(2)磁场是有旋场,电流是磁场涡旋的轴心,(3)安培环路定理只适用于闭合的载流导线，对于任意设想的一段载流导线不成立,图中载流直导线,设,例如,讨论,则 L 的环流为:,26,二.安培环路定理的应用:,例,求
7、无限长圆柱面电流的磁场分布。,P,L,解,系统有轴对称性，圆周上各点的 B 相同,P,时过圆柱面外P 点做一圆周,时在圆柱面内做一圆周,27,无限长圆柱体载流直导线的磁场分布,区域：,区域：,推广：,28,例,求螺绕环电流的磁场分布及螺绕环内的磁通量,解,在螺绕环内部做一个环路，可得,若螺绕环的截面很小，,若在外部再做一个环路，可得,螺绕环内的磁通量为,29,例,求无限大平面电流的磁场,解,面对称,推广：有厚度的无限大平面电流,在外部,在内部,30,载流导体产生磁场,磁场对电流有作用,一.安培定理,大小：,方向：,由右手螺旋法则确定,任意形状载流导线在外磁场中受到的安培力,(1)安培定理是矢量
8、表述式,(2)若磁场为匀强场,在匀强磁场中的闭合电流受力,12.5 磁场对电流的作用,讨论,安培力,31,此段载流导线受的磁力。,在电流上任取电流元,例,在均匀磁场中放置一任意形状的导线，电流强度为I,求,解,相当于载流直导线,在匀强磁场中受的力，方向沿 y 向。,32,例,求两平行无限长直导线之间的相互作用力？,解,电流 2 处于电流 1 的磁场中,同时，电流 1 处于电流 2 的磁场中，,电流 2 中单位长度上受的安培力,电流 1 中单位长度上受的安培力,33,(1)定义:真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，若 相距 1 米，单位长度受力,(2)电流之间的磁力符合牛顿第三定律：,则电流
9、为1 安培。,(3)分析两电流元之间的相互作用力,同理,两电流元之间的相互作用力，一般不遵守牛顿第三定律,讨论,34,(4)分析两根带电长直线沿长度方向运动时，带电线之间的作用力。,两带电线上的电流为,两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力,在一般情况下，磁场力远小于电场力,35,例,求一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势,解,1,2,3,4,方向向左,方向向右,整个线圈所受的合力：,线圈向左做平动,1,3,2,4,36,二.磁场对平面载流线圈的作用,（方向相反在同一直线上）,（线圈无平动）,对中心的力矩为,1.在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈,（方向相反不在一条直线上）,令,37,2
10、.磁场力的功,讨论,(1)线圈若有N 匝线圈,(2)M 作用下，磁通量增加,稳定平衡,负号表示力矩作正功时 减小,非稳定平衡,(3)非均匀磁场中的平面电流环,线圈有平动和转动,38,一.洛伦兹力公式,实验结果,安培力与洛伦兹力的关系,安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加,12.6 带电粒子在磁场中的运动,39,(1)洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故,讨论,对电荷不作功,(2)在一般情况下，空间中电场和磁场同时存在,二.带电粒子在均匀磁场中的运动,粒子回转周期与频率,情况,40,一般情况,带电粒子作螺旋运动,磁聚焦原理,粒子源A,很小时,接收器 A,发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新
11、会聚,41,减少粒子的纵向前进速度，使粒子运动发生“反射”,磁约束原理,在非均匀磁场中，速度方向与磁场不同的带电粒子，也要作螺旋运动，但半径和螺距都将不断发生变化,磁场增强，运动半径减少,强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近 横向磁约束,纵向磁约束,在非均匀磁场中，纵向运动受到抑制 磁镜效应,磁镜,42,线圈,线圈,高温等离子体,磁镜效应的典型应用,受控热核聚变实验研究,能约束运动带电粒子的磁场分布称为磁镜约束 磁瓶,地球的磁约束效应 天然磁瓶,三.霍尔效应,1879年 霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板面施加一磁场，则板面两侧会出现微弱电势差(霍尔效应),43,横向电场力:,洛伦兹
12、力:,当达到动态平衡时：,实验结果,受力分析,(霍耳系数),l,d,I,a,b,(方向向下),(方向向下),44,(2)区分半导体材料类型,霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关,N 型半导体,P 型半导体,它是研究半导体材料性质的有效方法（浓度随杂质、温度等变化）,讨论,(1)通过测量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度,45,四.运动电荷的电磁场,高温导电气体,没有机械转动部分造成的能量损耗可提高效率,特点：,磁场是电场的运动效应,(3)磁流体发电,46,一.磁介质及其分类,1.磁介质 任何实物都是磁介质,电介质放入外场,磁介质放入外场,相对磁导率,反映磁介质对原场的影响程度,12.7 物质的磁
13、性,2.磁介质的分类,顺磁质,抗磁质,减弱原场,增强原场,如 锌、铜、水银、铅等,如 锰、铬、铂、氧等,弱磁性物质,顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1。,47,铁磁质,通常不是常数,具有显著的增强原磁场的性质,强磁性物质,二.磁化机理,原子中电子的轨道磁矩,1.安培分子环流的概念和方法,电子的自旋磁矩,电子自旋磁矩与轨道磁矩有相同的数量级,分子磁矩,所有电子磁矩的总和,抗磁质,无外场作用时，对外不显磁性,顺磁质,无外场作用时，由于热运动，对外也不显磁性,48,2.磁介质的磁化,电子轨道半径不变,当外场方向与原子磁矩反方向时,当外场方向与原子磁矩方向相同时,49,将顺磁质放入外场,分子环流
14、在外场作用下，产生取向转动，磁矩将转向外场方向 宏观上产生附加磁场,结论：在外场作用下，电子产生附加的转动，从而形成附加的,附加磁矩（也称感应磁矩）总是与外场方向,反，即产生一个与外场反向的附加磁场,相,抗磁质磁化,在外场作用下，每个分子中的所有电子都产生感应磁矩,则磁介质产生附加磁场,与外场方向相反,顺磁质磁化,50,在外场作用下，分子磁矩要转向，同时每个分子中的所有电子也都产生感应磁矩。,则磁介质产生附加磁场,与外场方向相同,三.有磁介质的磁高斯定理,磁介质存在时，磁感应线仍是一系列无头无尾的闭合曲线,(含磁介质的磁高斯定理),对于任意闭合曲面S,51,四.有磁介质时的安培环路定理,1.束
15、缚电流,以无限长螺线管为例,定义：磁化强度,磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强,在磁介质内部的任一小区域：,相邻的分子环流的方向相反,在磁介质表面处各点：,分子环流未被抵消,形成沿表面流动的面电流,束缚电流,52,结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。,束缚电流密度,2.磁介质中的安培环路定理,用磁化强度描述束缚电流项,可证明:,53,定义磁场强度,(磁介质的安培环路定理),磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有传导电流的代数和。,讨论,束缚电流与磁化强度,设单位长度上的束缚电流为,沿Z方向磁化的介质体元,54,取任意闭合回路 L，则磁化强度M 沿L 的积分等于
16、穿过此积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。,(普遍关系式),则，它产生的磁矩,介质侧面上的束缚电流强度,55,(3)对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下,介质的磁化率,一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解磁感应强度。,56,一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率,(2)介质内外界面上的束缚电流密度,例,求,解,根据磁介质的安培环路定理,(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度,由磁化强度与束缚电流密度的关系,内界面:,外界面:,57,五.铁磁质,主要特征,在外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。,撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。,1.磁畴 磁化微观机理,铁磁
17、质中自发磁化的小区域叫磁畴，磁畴中电子的自旋磁矩整齐排列。,无,磁化方向与,有,整个铁磁质的总磁矩为零,同向的磁畴扩大,磁化方向转向,的方向,使磁场大大增强,外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力的阻碍，不能恢复磁化前的状态。,磁畴的磁化方向,58,2.宏观磁化现象 磁滞回线,铁磁质中,不是线性关系,剩磁,矫顽力,(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆”的，具有磁滞现象,讨论,(2)不同材料，矫顽力不同,59,(4)铁磁材料的应用,HC 较小,HC较大,易磁化，易退磁,剩磁较强，不易退磁,可作变压器、电机、电磁铁的铁芯,可作永久磁铁,软磁材料,硬磁材料,(3)铁磁质温度高于某一温度TC 时,铁磁质转化为顺磁质,此临界温度称为居里点。,
