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1、第七章 稳定磁场,上海磁浮列车,7.2 磁场 磁感应强度,7-2-1 磁的基本现象,（1）具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。,永磁体的性质,在磁极区域，磁性较强,司南勺,（2）具有磁极，分磁北极N和磁南极S,永磁体的性质,航海罗盘,地球是一个巨大的永磁体,全球性的强烈地磁场扰动即磁暴。用专门仪器做系统观测发现，磁暴与太阳耀斑有关，磁暴时极光十分活跃。,磁暴,极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线（Field line）集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，产生光芒，形成极光。经常出现的地方是在
2、南北纬度67度附近的两个环带状区域内，阿拉斯加的费尔班（Fairbanks）一年之中有超过200天的极光现象，因此被称为“北极光首都”。所以极光只能在地球的南北极被看见 .,极光,磁暴开始急、发展快、恢复慢，一般都持续两三天才逐渐恢复平静，磁照图呈现明显的起伏，这也是识别磁暴的标志.,磁暴,无论将磁体分割成多少段，所得到的每一段依旧有两个磁极，磁单极子不存在,永磁体的性质,（3）磁极不能单独存在,（4）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸,1820年4月，丹麦物理学家奥斯特（17771851）发现了小磁针在通电导线周围受到磁力作用而发生偏转。,奥斯特实验,磁铁对载流导线、载流导线之间或载流
3、线圈之间也有相互作用。,实验还发现,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，也能受磁力的作用。,1821年，安培提出了关于物质磁性的本质假说,一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分子中存在回路电流，称为分子电流。分子电流相当于基元磁铁，物质对外显示出磁性，取决于物质中分子电流对外界的磁效应的总和。,物质磁性的起源,7-2-2 磁场和磁感应强度,运动电荷,稳定磁场,反映磁场性质的物理量,磁感应强度的方向,小磁针在场点处时其N 极的指向。,磁场分布不会随时间发生变化，一般可由恒定电流激发而在电流周围空间产生。,磁感应强度,磁感应强度大小的定义,一、点电荷q0以同一速率v沿不同方向运
4、动。,2. q0沿磁场方向运动时,3. q0垂直磁场方向运动时,磁感应强度大小的定义,二、在垂直于磁场方向改变运动电荷的速率v，改变点电荷的电量q0。,在磁场中同一场点，Fmax/q0v 为 一 恒 量 在磁场中不同场点，Fmax/q0v 的量值不同,国际单位：特斯拉（T）,常用单位：高斯 （G）,磁感应强度大小的定义,7-2-3 磁感应线,1.磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁感应强度的方向一致。 2.垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感应强度B的大小。,条形磁铁周围的磁感应线,直线电流的磁感应线,磁感应线为一组环绕电流的闭合曲线。没有起点，没有终点。,圆电流的磁感应线,均匀带电球
5、壳自旋磁场模拟,圆电流的磁场模拟,通电螺线管的磁感应线,7-3-1 毕奥-萨伐尔定律,真空中的磁导率： o= 410-7 TmA-1,静电场类比理解,+,+,+,1、5 点 ：,3、7点 ：,2、4、6、8 点,7-3-2 毕奥-萨伐尔定律的应用,任意线电流在场点处的磁感应强度B 等于构成线电流的所有电流元在该点的磁感应强度之矢量和。,磁感应强度叠加原理,1. 一载流长直导线，电流强度为I ，导线两端到P 点的连线与导线的夹角分别为1和2 。求距导线为a 处P 点的磁感应强度。与电场比较?,无限长载流导线： 1= 0 , 2 = ,半无限长载流导线：1= 0 , 2 = /2,电流与磁感强度成
6、右螺旋关系,无限长载流长直导线的磁场,例 如图，求三角形中心点处的磁感应强度。,I,解 根据对称性分析,圆形载流导线轴线上的磁场,p,*,2）,3）,1）若线圈有N匝,+,I,R,o,（1）,x,磁矩,面积 的正法线方向与环电流的流向成右手螺旋关系，其单位矢量 用表示。,N 匝环电流的磁矩,磁矩,圆电流的磁感应强度用磁矩表示,磁偶极子,圆电流,电偶极子,载流密绕直螺线管内部轴线上的磁场,螺线管半径为 R； 导线中电流为 I； 单位长度线圈匝数 n,在螺线管上的 x 处截取一小段,无限长螺线管,例1. 无限长载流平板，宽度为a，电流强度为I。求正上方处P点的磁感应强度。,解：,根据对称性： By
7、= 0,a无穷大?,dB,dBx,dBy,r,x,dx,dI,解 圆电流的磁场,例 半径 为 的带电薄圆盘的电荷面密度为 , 并以角速度 绕通过盘心垂直于盘面的轴转动 ，求圆盘中心的磁感强度.,例. 半径为R的圆盘均匀带电，电荷密度为。若该圆盘以角速度绕圆心o旋转，求轴线上距圆心x处的磁感应强度以及磁矩。,解：,磁矩,例、有一蚊香状的平面 N 匝线圈，通有电流 I ，每一圈近似为一圆周，其内外半径分别为a 及 b 。求圆心处 P 点的磁感应强度。,解：,运动电荷的磁感应强度公式：,7-3-3 运动电荷的磁场,拓展-同步辐射简介,1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，正在调试一
8、台能量为70兆电子伏的电子同步加速器，偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，光的颜色随电子的能量变化而变化。当电子能量降到40兆电子伏时，光变为黄色；降到30兆电子伏时，变为红色且强度变弱；降到20兆电子伏时，就什么也看不见了。,同步辐射,这种由电子作加速运动时所辐射的电磁波是在同步加速器上首先发现的，所以人们就称它为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。“同步辐射”的发现立即在当时的科学界引起轰动，为同步辐射光的广泛应用揭开了序幕。,同步辐射的原理,实验物理和电动力学的基本结论: 自由电子在作加速度运动时, 将产生电磁辐射 电子的速率发生变化: 在前向产生辐射
9、电子的方向发生变化: 在切线方向产生同步辐射,同步辐射的特点,高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟。,高亮度,北京同步辐射装置所发射的光的亮度为1013，这是属于第一代装置，第三代装置，亮度达10171018。,同步辐射的特点,宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长,进行单色光的实验,一台同步辐射装置，在储存环中运行的电子的能量和轨道的弯转半径将决定这台同步加速器所辐射的光谱形状。光子
10、能量范围从几个电子伏特到几十MeV，相应的波长从几微米到几百皮米(10-12米)，即从远红外到硬X射线，且可调。,宽波谱,光子能量(eV),高准直,同步辐射光是沿电子运动轨道的切线方向在一个很小的角度范围内发射出来的，在与轨道平面的垂直方向上所张的角度很小，因此有很好的准直性。,脉冲性,在加速器储存环中电子以束团形式运动。电子束团密度决定了光脉冲的宽度。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期，对于1个周长为L的加速器，由于能量为GeV量级，电子的速度已十分接近光速(V=0.99999987c)，所以脉冲周期为T=L/C。如果电子束团长度为S，则脉冲的持续时间，即脉冲宽度为 t=S/c。,T,t,脉
11、冲性：,北京同步辐射装置，周长为240.4米，假设只有一个束团运行，束团长S=3厘米，则脉冲周期为T=0.8微秒，脉冲宽度为=0.1纳秒。人们利用这个特定的时间结构，来研究物质的动态和瞬态过程。,T=0.8ms,t=100ps,偏振性,在电子轨道平面中的同步辐射光是完全的线偏振光，光的电矢量就在电子的轨道平面内。这种偏振特性很有用，是普通X光所没有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。,因为同步辐射光是电子在超高真空的环境中作加速运动而产生的，是特别“干净”，非常“纯”的光。不像X光管，管内有残余气体，而残余气体，受电子轰击也会发光。利用这种“干净”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模集成电路的光刻等。,“光谱纯”的光,同步辐射装置,同步辐射光源的原理图,62,我国的同步辐射装置,北京电子对撞机-同步辐射兼用模式,合肥同步辐射装置-专用模式,64,上海同步辐射装置(上海光源)-专用模式,http:/ 可同时安装几十至一百多实验站，利用不同的光进行不同的实验对X实验要有防护小屋, 如材料、生命科学、医学等研究。不同的研究对象，对辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求.,软X射线显微术,光化学,时间分辨光谱,光电子能谱,光刻,扩展X光吸收精细结构,光声光热,辐射标准与计量,红外与远红外,同步辐射,
