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1、上海磁浮列车7-2-1 磁的基本现象 （1 1 1 1）具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。）具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。）具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。）具有磁性，能吸引铁、钴、镍等物质。在磁极区域，磁性较强司南勺司南勺 （2 2）具有磁极，分磁北极）具有磁极，分磁北极）具有磁极，分磁北极）具有磁极，分磁北极N N和磁南极和磁南极和磁南极和磁南极S S航海罗盘磁偏角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。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）
2、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 .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.无无论论将将磁磁体体分分割割成成多多少少段段，所所得得到到的的每每一一段段依依旧旧有有两两个个磁磁极极，磁单极子不存在磁单极子不存在（3 3 3 3）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
3、能单独存在（4 4 4 4）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸）磁极之间存在相互作用，同性相斥，异性相吸1820年年4月月，丹丹麦麦物物理理学学家家奥奥斯斯特特（17771851）发发现现了了小小磁磁针针在在通通电电导线周围受到磁力作用而发生偏转。导线周围受到磁力作用而发生偏转。 磁铁对载流导线、载流导线之间磁铁对载流导线、载流导线之间或载流线圈之间也有相互作用。或载流线圈之间也有相互作用。 1821182118211821年，安培提年，安培提年，安培提年，安培提出了关于物质磁出了关于物质磁出了关于物质磁
4、出了关于物质磁性的本质假说性的本质假说性的本质假说性的本质假说一切磁现象的根源是电流。磁性物质的分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性，取决于物质中分子电流对外界的磁效应的总和。应的总和。 小磁针在场点处时其小磁针在场点处时其N N 极的指向。极的指向。 磁场分布不会随时间发生变化，一般可由恒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。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一
5、、点电荷一、点电荷q0以同一速率以同一速率v沿不同方向运动。沿不同方向运动。2. q0沿磁场方向运动时沿磁场方向运动时 3. q0垂直磁场方向运动时垂直磁场方向运动时 二二、在在垂垂直直于于磁磁场场方方向向改改变变运运动动电电荷荷的的速速率率v，改变点电荷的电量改变点电荷的电量q0。1. 在磁场中同一场点，在磁场中同一场点，Fmax/q0v 为为 一一 恒恒 量量2. 在在磁场中磁场中不同不同场场点，点，Fmax/q0v 的量值不同的量值不同国际单位：特斯拉（国际单位：特斯拉（T）常用单位：高斯常用单位：高斯 （G）1.1.磁感应线上任一点的切线方向都与该点的磁感应磁感应线上任一点的切线方向都
6、与该点的磁感应强度的方向一致。强度的方向一致。2.2.垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感垂直通过单位面积的磁感应线条数等于该处磁感应强度应强度B B的大小。的大小。 磁感应线为一组环绕电磁感应线为一组环绕电流的闭合曲线。流的闭合曲线。没有起没有起点，没有终点。点，没有终点。I均匀带电球壳自旋磁场模拟均匀带电球壳自旋磁场模拟圆电流的磁场模拟圆电流的磁场模拟真空中的磁导率：真空中的磁导率： o= 410-7 TmA-1静电场类比理解1 12 23 34 45 56 67 78 8例例 判断下列各点磁感强度的方向和大小判断下列各点磁感强度的方向和大小. .+ + + +1 1、5 5 点点
7、：3 3、7 7点点 ：2 2、4 4、6 6、8 8 点点任意线电流在场点处的磁感应强度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。的磁感应强度之矢量和。 1. 一一载载流流长长直直导导线线，电电流流强强度度为为I ，导导线线两两端端到到P 点点的的连连线线与与导导线线的的夹夹角角分分别别为为 1和和 2 。求求距距导导线线为为a 处处P 点的磁感应强度。与电场比较点的磁感应强度。与电场比较?无限长载流导线：无限长载流导线： 1= 0 , 2 = 半无限长载流导线：半无限长载流导线： 1= 0 , 2 = /2aBI
8、B 电流与磁感强度成右螺旋关系电流与磁感强度成右螺旋关系IBX X例例 如图，求三角形中心点处的磁感应强度。如图，求三角形中心点处的磁感应强度。oacbe12oacbe12oacbe12oacbe12I I解解 根据对称性分析根据对称性分析p*p* 2）3 3）1）若线圈有）若线圈有N匝匝* *oI（5）* Ad（4）*o（2R）I+R（3）oIIRo（1）x面积面积 的正法线方向与环电流的流向成右手螺的正法线方向与环电流的流向成右手螺旋关系，其单位矢量旋关系，其单位矢量 用表示。用表示。 I IN 匝环电流的磁矩匝环电流的磁矩I I圆电流的磁感应强度用磁矩表示圆电流的磁感应强度用磁矩表示圆电
9、流圆电流xrORx螺线管半径为螺线管半径为 R；导线中电流为导线中电流为 I；单位长度线圈匝数单位长度线圈匝数 n在螺线管上的在螺线管上的 x 处截取一小段处截取一小段xrORx无限长螺线管无限长螺线管oyxIPya例例1.1. 无限长载流平板，宽度为无限长载流平板，宽度为a a，电流强度为电流强度为I I。求正上方处求正上方处P P点的磁感应强度。点的磁感应强度。解解：dBdBxdBy rxdxdI根据对称性：根据对称性： By= 0a无穷大?oyxIPyadBdBxdBy rxdxdI解解 圆电流的磁场圆电流的磁场例例 半径半径 为为 的带电薄圆盘的电荷面密度为的带电薄圆盘的电荷面密度为
10、, , 并以角速度并以角速度 绕通过盘心垂直于盘面的轴转动绕通过盘心垂直于盘面的轴转动 ，求圆盘中心的磁感强度求圆盘中心的磁感强度. .PxxR例例. 半径为半径为R的圆盘均匀带电，电荷密度为的圆盘均匀带电，电荷密度为 。若该。若该圆盘以角速度圆盘以角速度 绕圆心绕圆心o旋转，求轴线上距圆心旋转，求轴线上距圆心x处的处的磁感应强度以及磁矩。磁感应强度以及磁矩。解：解：drrdB磁矩磁矩例例、有一蚊香状的平面、有一蚊香状的平面 N 匝线圈，通有电流匝线圈，通有电流 I ，每一每一圈近似为一圆周，其内外半径分别为圈近似为一圆周，其内外半径分别为a 及及 b 。求圆心求圆心处处 P 点的磁感应强度。
11、点的磁感应强度。 Pab. .Pab.drr解：解：运动电荷的磁感应强度公式：运动电荷的磁感应强度公式：Idl+vIS 拓展-同步辐射简介 19471947年年4 4月月1616日日，美美国国纽纽约约州州通通用用电电气气公公司司的的实实验验室室中中，正正在在调调试试一一台台能能量量为为7070兆兆电电子子伏伏的的电电子子同同步步加加速速器器，偶偶然然从从反反射射镜镜中中看看到到了了在在水水泥泥防防护护墙墙内内的的加加速速器器里里有有强强烈烈“蓝蓝白白色色的的弧弧光光”，光光的的颜颜色色随随电电子子的的能能量量变变化化而而变变化化。当当电电子子能能量量降降到到4040兆兆电电子子伏伏时时，光光变
12、变为为黄黄色色；降降到到3030兆兆电电子子伏伏时时，变变为为红红色色且且强强度度变变弱弱；降降到到2020兆兆电电子子伏伏时时，就就什什么么也也看看不见了。不见了。 同步辐射 这种这种由电子作加速运动时所辐射由电子作加速运动时所辐射的电磁波的电磁波是在同步加速器上首先发现是在同步加速器上首先发现的，所以人们就称它为的，所以人们就称它为“同步加速器同步加速器辐射辐射”，简称，简称“同步辐射同步辐射”。“同步同步辐射辐射”的发现立即在当时的科学界引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起轰动，为同步辐射光的广泛应用揭开了序幕。开了序幕。同步辐射的原理实验物理和电动力学的基本结
13、论实验物理和电动力学的基本结论实验物理和电动力学的基本结论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自由电子在作加速度运动时自由电子在作加速度运动时自由电子在作加速度运动时, , , , 将产生电磁辐射将产生电磁辐射将产生电磁辐射将产生电磁辐射电子的速率发生变化电子的速率发生变化电子的速率发生变化电子的速率发生变化: : : : 在前向产生辐射在前向产生辐射在前向产生辐射在前向产生辐射电子的方向发生变化电子的方向发生变化电子的方向发生变化电子的方向发生变化: : : : 在切线方向产生同步辐射在切线方向产生同步辐射在切线方向产生同步辐射在切线方向产生同步辐射 同步辐射的
14、特点高亮度高亮度高亮度高亮度：同步辐射的亮度比最强的：同步辐射的亮度比最强的：同步辐射的亮度比最强的：同步辐射的亮度比最强的X X光管特征线光管特征线光管特征线光管特征线亮度强万倍以上。用亮度强万倍以上。用亮度强万倍以上。用亮度强万倍以上。用X X光机拍摄一幅晶体缺陷照光机拍摄一幅晶体缺陷照光机拍摄一幅晶体缺陷照光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要片，通常需要片，通常需要片，通常需要7-157-15天的感光时间，而利用同步辐天的感光时间，而利用同步辐天的感光时间，而利用同步辐天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟。射光源只需要十几秒或几分钟。射光源只需要十几秒或几分钟。射光源只需要
15、十几秒或几分钟。 高亮度北北京京同同步步辐辐射射装装置置所所发发射射的的光光的的亮亮度度为为10101313，这这是是属属于于第第一一代代装装置置，第第三三代代装置，亮度达装置，亮度达1010171710101818。同步辐射的特点宽波谱宽波谱宽波谱宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和：覆盖了红外、可见、紫外和：覆盖了红外、可见、紫外和：覆盖了红外、可见、紫外和X X X X光波段光波段光波段光波段, , , ,是是是是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮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
16、用单色器可以随意选择所需要的波度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长长长长, , , ,进行单色光的实验进行单色光的实验进行单色光的实验进行单色光的实验一一台台同同步步辐辐射射装装置置，在在储储存存环环中中运运行行的的电电子子的的能能量量和和轨轨道道的的弯弯转转半半径径将将决决定定这这台台同同步步加加速速器器所所辐辐射射的的光光谱谱形形状状。光光子子能能量量范范围围从从几几个个电电子子伏伏特特到到几几十十MeV，相相应应的的波波长长从从几几微微米米到到几几百百皮皮米米(10(10- -1212米米) )，
17、即即从从远远红红外外到到硬硬X射射线线，且可调。且可调。宽波谱宽波谱光子能量光子能量(eV)高准直 同步辐射光是沿同步辐射光是沿电子运动轨道的切线电子运动轨道的切线方向在一个很小的角方向在一个很小的角度范围内发射出来的，度范围内发射出来的，在与轨道平面的垂直在与轨道平面的垂直方向上所张的角度很方向上所张的角度很小，因此有很好的准小，因此有很好的准直性。直性。脉冲性脉冲性在在加加速速器器储储存存环环中中电电子子以以束束团团形形式式运运动动。电电子子束束团团密密度度决决定定了了光光脉脉冲冲的的宽宽度度。环环形形加加速速器器的的周周长长则则决决定定了了脉脉冲冲的的周周期期，对对于于1个个周周长长为为
18、L的的加加速速器器，由由于于能能量量为为GeV量量级级，电电子子的的速速度度已已十十分分接接近近光光速速( (V=0.99999987c) )，所所以以脉脉冲冲周周期期为为T=L/C。如如果果电电子子束束 团团 长长 度度 为为 S， 则则 脉脉 冲冲 的的 持持 续续 时时 间间 ， 即即 脉脉 冲冲 宽宽 度度 为为t t=S/c。T Tt t脉冲性：脉冲性： 北京同步辐射装置，北京同步辐射装置，周长为周长为240.4240.4米，假设只有米，假设只有一个束团运行，束团长一个束团运行，束团长S=3S=3厘米，则脉冲周期为厘米，则脉冲周期为T=0.8T=0.8微秒，脉冲宽度为微秒，脉冲宽度为
19、=0.1=0.1纳秒。人们利用这个特定纳秒。人们利用这个特定的时间结构，来研究物质的时间结构，来研究物质的动态和瞬态过程。的动态和瞬态过程。T T=0.8m mst t=100ps偏振性偏振性在在电电子子轨轨道道平平面面中中的的同同步步辐辐射射光光是是完完全全的的线线偏偏振振光光，光光的的电电矢矢量量就就在在电电子子的的轨轨道道平平面面内内。这这种种偏偏振振特特性性很很有有用用，是是普普通通X X光光所所没没有有的的。利利用用偏偏振振光光可可研研究究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。因因为为同同步步辐辐射射光光是是电电子子在在超超高高真真空空的的环环境
20、境中中作作加加速速运运动动而而产产生生的的，是是特特别别“干干净净”，非非常常“纯纯”的的光光。不不像像X X光光管管，管管内内有有残残余余气气体体，而而残残余余气气体体，受受电电子子轰轰击击也也会会发发光光。利利用用这这种种“干干净净”的的光光，可可作作微微量量元元素素的的分分析析、表表面面物物理理研研究、超大规模集成电路的光刻等。究、超大规模集成电路的光刻等。“光谱纯光谱纯”的光的光同步辐射光源的原理图同步辐射光源的原理图发生装置发生装置光束线光束线实验站实验站发生装置发生装置光束线光束线实验站实验站6262北北京京电电子子对对撞撞机机- -同同步步辐辐射射兼兼用模式用模式6464http
21、:/ 同同步步辐辐射射装装置置是是一一个个大大科科学学装装置置，可可供供各各种种专专业业的的科科学学家家和和技技术术人人员员数数百百人人同同时时进进行行各各种种研研究，究，2424小时不停运转。小时不停运转。小时不停运转。小时不停运转。 可可同同时时安安装装几几十十至至一一百百多多实实验验站站，利利用用不不同同的的光光进进行行不不同同的的实实验验对对对对X X X X实实实实验验验验要要要要有有有有防防防防护护护护小小小小屋屋屋屋, , , , 如如如如材材材材料料料料、生生生生命命命命科科科科学学学学、医医医医学学学学等等等等研研研研究究究究。不不不不同同同同的的的的研研研研究究究究对对对对象象象象，对对对对辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求. . . .软软X射线显微术射线显微术光化学光化学时间时间分辨光谱分辨光谱光电子能谱光电子能谱光刻光刻扩展扩展X光吸收精细结构光吸收精细结构光声光热光声光热辐射标准与计量辐射标准与计量红外与远红外红外与远红外同步辐射同步辐射
