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1、1P.1P.2第7章电流与磁场主要任务：主要任务：研究相对于观察者运动的电荷在空间 激发的场研究相对于观察者运动的电荷在空间 激发的场恒定磁场恒定磁场(steady magnetic field)的规律和性质.的规律和性质.恒定磁场：恒定磁场：恒定电流激发的磁场恒定电流激发的磁场.P.3一、概述一、概述7 7- -1 1 恒定电流和恒定电场 电动势恒定电流和恒定电场 电动势电流传导电流电流传导电流(conducting current)运流电流运流电流(convection current)载流子自由电子载流子自由电子(free electron)、正负离子、正负离子(cation、 anio
2、n) 、电子、电子空穴空穴(hole)对、对、在电场作用下形成在电场作用下形成.带电体带电体在空间在空间在空间作机械运动形成在空间作机械运动形成.1. 电流电流: 大量电荷的定向运动大量电荷的定向运动.载流子：载流子：导体中承载电荷的粒子导体中承载电荷的粒子P.42. 2. 恒定电流与恒定电场恒定电流与恒定电场恒定电流与恒定电场恒定电流与恒定电场1) 恒定电流恒定电流(steady current):电流分布不随时间变化电流分布不随时间变化常量常量=tq dd2) 恒定电场恒定电场(steady electric field):维持恒定电流所需的 电场,其分布不随时间变化.维持恒定电流所需的
3、电场,其分布不随时间变化.3. 恒定电流形成的条件恒定电流形成的条件有可移动的带电粒子或带电体有可移动的带电粒子或带电体P.5导体内建立不随时间变化的恒定电场（恒定 电势差）导体内建立不随时间变化的恒定电场（恒定 电势差） 闭合回路中有一电源闭合回路中有一电源二、几个重要的物理概念和物理量二、几个重要的物理概念和物理量1. 电流：电流：I单位时间内通过导体某一截面的电量为电流强度单位时间内通过导体某一截面的电量为电流强度 (electric current strength)，简称电流简称电流+S StqI=单位:单位:安培安培安培安培流向：流向：正电荷移动方向正电荷移动方向P.6电流强度随时
4、间而变化电流强度随时间而变化(例如交流电例如交流电),可用瞬时电 流强度来表示,即,可用瞬时电 流强度来表示,即tq tqI tdd = 0lim大小：单位时间内通过该点附近，垂直于正电荷运 动方向的单位面积的电量大小：单位时间内通过该点附近，垂直于正电荷运 动方向的单位面积的电量.2. 电流密度电流密度 描述导体内各点的电流分布情况描述导体内各点的电流分布情况jvQs jvne2P.7Qs jvnecoscossIstQ stQj=方向：方向：该点正电荷运动方向该点正电荷运动方向SjSjIvv=cos则有所以则有所以通过任一截面电流通过任一截面电流 = SsdjIvv即：电流强度是电流密度矢
5、量通过即：电流强度是电流密度矢量通过 S面的通量.面的通量.P.8金属导电的经典解释：金属导电的经典解释：电场中, 电子运动电场中, 电子运动 = =热运动热运动+定向加速运动频繁碰撞使加速运动间断进行,其平均效果为定向匀 速运动定向加速运动频繁碰撞使加速运动间断进行,其平均效果为定向匀 速运动 漂移运动漂移运动(drift motion). .3. 电流，电流密度与自由电子的数密度之间关系电流，电流密度与自由电子的数密度之间关系Ijvntdjvsedv I I设图示导体内单位体积内自由电子数密度，每个自由电子电荷值为 ，其电子的定向漂移速度平均 值为设图示导体内单位体积内自由电子数密度，每个
6、自由电子电荷值为 ，其电子的定向漂移速度平均 值为dvn eP.9在导体内取，且与垂直在导体内取，且与垂直dvsstdjvsedv I I在内，在体积为内自由电子通 过，则由定义得在内，在体积为内自由电子通 过，则由定义得st)(tsd电流密度电流密度densIj=sentetsn tqIdd =)(电流电流P.104. 电源电动势电源电动势问题引出：问题引出：如图示带电导体，欲保持间 电势差不变，就必须要有一个提供非静电场力的装 置.如图示带电导体，欲保持间 电势差不变，就必须要有一个提供非静电场力的装 置.BA，BA，+AB非静电场装置非静电场装置ABR电源电源P.111）电源：电源：提供
7、（产生）非静电力的装置（器 件）提供（产生）非静电力的装置（器 件）.kFv非静电场强：非静电力与试探电荷电量的比值非静电场强：非静电力与试探电荷电量的比值非静电场强非静电场强：非静电力与试探电荷电量的比值非静电力与试探电荷电量的比值非静电力与试探电荷电量的比值非静电力与试探电荷电量的比值qFEk kvv=外电路：外电路：电源外部的电路，电流从高电势向低电 势运动电源外部的电路，电流从高电势向低电 势运动.内电路：内电路：电源内部正、负两极之间的电路，电荷 克服静电场力作功，从低电势向高电势运动电源内部正、负两极之间的电路，电荷 克服静电场力作功，从低电势向高电势运动.P.122）（电源）（电
8、源）电动势电动势：定量反映电源中非静电力作 功能力大小的物理量：定量反映电源中非静电力作 功能力大小的物理量.qdlEqqWk=v +=l dEl dEkABkvvvv或或=l dEkvv)0(=l dEkvvQ 外外单位正电荷从负极经内电路移至正极时非静电力作功；非静电场强沿闭合电路上的环流；或单 位正电荷绕闭合回路一周，非静电力所作的功单位正电荷从负极经内电路移至正极时非静电力作功；非静电场强沿闭合电路上的环流；或单 位正电荷绕闭合回路一周，非静电力所作的功kEv3P.13电动势电动势 (标量标量标量标量) ) 的指向：的指向：通常自负极经内电路至正极的指向（电源 内部电势升高方向）通常自
9、负极经内电路至正极的指向（电源 内部电势升高方向）+P.14一、基本的磁现象一、基本的磁现象一、基本的磁现象一、基本的磁现象磁性：能吸引铁、钴、镍 等物质的性质.磁性：能吸引铁、钴、镍 等物质的性质.S SN N7 7- -2 2 恒定磁场和磁感应强度恒定磁场和磁感应强度1. 磁铁的磁性磁铁的磁性(magnetism)司南勺司南勺磁极磁极(pole)：磁性最强的区域, 分磁北极：磁性最强的区域, 分磁北极N和磁南极和磁南极S. .P.15磁极不能单独存在磁极不能单独存在磁极不能单独存在磁极不能单独存在. . . . 磁力磁力(magnetic force)： 磁极间存在相互作用, 同号相斥,异
10、号相吸.磁极间存在相互作用, 同号相斥,异号相吸.P.16=5 .11磁偏角磁偏角地球是一个巨大的永磁体这是什么现象？地球是一个巨大的永磁体这是什么现象？?清代13种北极光 的名称和形态图清代13种北极光 的名称和形态图P.17极光幔面纱一样均匀的帐幔状的P.18极光芒?沿磁力线方向的射线状的4P.19（1 1）18191819- -18201820年年年年间，丹麦物理学家间，丹麦物理学家间，丹麦物理学家间，丹麦物理学家 奥斯特发现：奥斯特发现：奥斯特发现：奥斯特发现：在载在载在载在载 流导线附近的小磁流导线附近的小磁流导线附近的小磁流导线附近的小磁针会发生偏转。针会发生偏转。针会发生偏转。针
11、会发生偏转。N NS SI I（2 2）18201820年安培年安培年安培年安培发现：发现：发现：发现：放在磁体附放在磁体附放在磁体附放在磁体附 近的载流导线或线近的载流导线或线近的载流导线或线近的载流导线或线 圈会受到力的作用圈会受到力的作用圈会受到力的作用圈会受到力的作用 而发生运动。而发生运动。而发生运动。而发生运动。S SN N F FI IH. C. H. C. erstedersted 1777 1777 1851 1851 A. M. AmpA. M. Amp rere 17751775183618362. 电流的磁效应电流的磁效应P.20（3 3）电流与电流之间存在）电流与电流
12、之间存在）电流与电流之间存在）电流与电流之间存在相互作用相互作用相互作用相互作用I II I+ + +- - -I II I+ + +- - -（4 4）磁场对运动电荷的作用）磁场对运动电荷的作用）磁场对运动电荷的作用）磁场对运动电荷的作用S+电子束电子束电子束电子束N结论：结论：结论：结论：结论：结论： 磁现象与电荷的运动有着密切的关系.运动电荷 既能产生磁效应,也受到磁力的作用.磁现象与电荷的运动有着密切的关系.运动电荷 既能产生磁效应,也受到磁力的作用.P.21? ?一切磁现象起源于电荷的运动一切磁现象起源于电荷的运动? ?任何物质的分子中存在着分子电流,每个分子电流相当于一基元磁体.任
13、何物质的分子中存在着分子电流,每个分子电流相当于一基元磁体.? ?物质的磁性取决于内部分子电流对外界 磁效应物质的磁性取决于内部分子电流对外界 磁效应(magnetic effect)的总和.的总和.? ?说明了磁极不能单独存在的原因.说明了磁极不能单独存在的原因.I IS SN N安培电流分子安培电流分子(molecular current) 假说假说(1822年年)：3. 安培关于物质磁性本质的假设安培关于物质磁性本质的假设P.22二、磁场二、磁场二、磁场二、磁场 磁感强度磁感强度磁感强度磁感强度磁场的对外表现：磁场的对外表现：力的表现：力的表现：力的表现：力的表现：对磁场中的运动电荷和电
14、流有作用力对磁场中的运动电荷和电流有作用力;功的表现：功的表现：功的表现：功的表现：对在磁场中运动的载流导线作功.对在磁场中运动的载流导线作功.1. 磁场磁场(magnetic field)运动电荷运动电荷磁场磁场运动电荷运动电荷P.23-描述磁场性质的物理量描述磁场性质的物理量2. 磁感应强度磁感应强度(magnetic induction)(magnetic induction)与电学类似，通过运动电荷在磁场中所受的作用力来定量描述磁场与电学类似，通过运动电荷在磁场中所受的作用力来定量描述磁场.在磁场中某点在磁场中某点P处，放入一速度运动的正电荷，其受磁场力处，放入一速度运动的正电荷，其受
15、磁场力0qvFv（）大小与和有关，但（）大小与和有关，但0qvvvF（）在某一特定方向（或反平行）时，电荷不 受力（此方向为磁场方向）（）在某一特定方向（或反平行）时，电荷不 受力（此方向为磁场方向）;vP.24（）当与上述磁场方向垂直时，受力最大（）当与上述磁场方向垂直时，受力最大vmF点有确定值）对 点有确定值）对pqFBm 0(=应反映磁场性质应反映磁场性质0qFBm=定义：定义：大小大小:或稳定时，该点处小磁针极指向或稳定时，该点处小磁针极指向方向方向：矢量关系式：矢量关系式，BqFvvv=0N NS S单位单位单位单位: : : : 特斯拉特斯拉特斯拉特斯拉(T)(T)，高斯，高斯，
16、高斯，高斯(G)(G)T10G14=地球磁场约 0.5 G5P.25rIB 拉普拉斯对此结果作了分拉普拉斯对此结果作了分拉普拉斯对此结果作了分拉普拉斯对此结果作了分析，提出了电流元产生磁场析，提出了电流元产生磁场析，提出了电流元产生磁场析，提出了电流元产生磁场 的关系式的关系式的关系式的关系式. .18201820年，毕奥和萨伐尔用实验的方法年，毕奥和萨伐尔用实验的方法年，毕奥和萨伐尔用实验的方法年，毕奥和萨伐尔用实验的方法发现：长直载流导线周围的磁感应强度发现：长直载流导线周围的磁感应强度发现：长直载流导线周围的磁感应强度发现：长直载流导线周围的磁感应强度 与距离成反比，与电流强度成正比与距
