第九章 稳恒磁场
一、基本要求
1．掌握磁场中的毕奥—萨伐尔定律、高斯定理、安培环路定理、磁场对电流的作用。
2．理解磁感应强度、霍尔效应、介质中的磁场。 3．了解磁场的生物效应。
二、本章内容提要
1．磁感应强度和磁能量
υ
q F
B m = （单位：特斯拉T ）
??=ΦS
m S d B
（单位：韦伯Wb ）
2．磁场中的高斯定理
0=??s
S d B
3．毕奥—萨伐尔定律 2
04r
e l Id B d r
?=πμ （1）载流长直导线的磁场
)cos (cos 4210ααπμ-=
a
I
B 对于“无限长”载流直导线 B I
a
=
μπ02 （2）圆环电流在其轴线上的磁场 B IR R x =+μ02
2232
2()/
对于环心处 B I
R
002=
μ
（3）直螺线管电流的磁场
)cos (cos 2
120
ββμ-=
nI B
若螺线管为无限长 nI B 0μ= 4．真空中的安培环路定理
∑?=?内
L i L
I l d B 0μ
即在真空稳恒磁场中，磁感应强度 B 沿任一闭合曲线的线积分(
B 的环流)等于此闭
合曲线所包围电流代数和的μ0倍。
其中电流的正、负与dl
绕行闭合曲线的方向有关，如果电流I 的流向与dl
的绕行方向成右手螺旋关系，则I 为正；反之I 为负。 5．洛仑兹力
B v q F ?=
6．磁场对电流的作用
B l Id F d ?=
F dF Id l B L L ==??? 7．霍耳效应
将一块导电板放在磁场中，磁场的方向垂直于导电板任意两个平面，当其上通有与磁场垂直的电流时，则在与
B 、I 都垂直的两侧面间产生一电势差，称这种现象为霍耳效应，这电势差称为霍耳电势差。
d
B I R U U H
=-21 q
n R H 1
=
称为霍耳系数。 8．磁场对载流线圈的磁力矩
磁矩 n S NI P m
= 磁力矩
M P B m =? 9．磁介质
B B r =
μ 式中r μ称为磁介质的相对磁导率，它是一个没有量纲的纯数。真空中，1=r μ。
顺磁质：B ＞B 0，1>r μ，即加强了原磁场； 抗磁质：B ＜B 0，1 铁磁质：并且'B >>B 0，1>>r μ，且r μ是随0B 变化的变数，习惯上也称之为强磁质。 三、典型例题 例8-1 一根载有电流I 的导线由三部分组成，AB 部分为四分之一的圆周，圆心为O ，半径为a ，导线其余部分伸向无限远处，求O 点的磁感应强度？ 解：四分之一圆周与两直线在O 点产生的磁感应强度的方向均相同，都是垂直纸面向外。 圆弧形电流产生的磁感应强度为 a I B 24101μ?= 直线电流产生的磁感应强度为 a I a I a I B B o o πμπμααπμ4)0sin 90(sin 4)sin (sin 40 01232=-=-= = 则O 点的场强为 )41(222124000321π πμμπμ+=?+?= ++=a I a I a I B B B B 答：求O 点的磁感应强度为)4 1(20π πμ+=a I B 。 例9-1 图 例9-2电缆由一导体圆柱和同轴的导体圆筒构成，使用时，电流I 从一导体流去，从另一导体流回。电流都是均匀地分布在横截面上，设圆柱的半径为r 1，圆筒的内外半径分别为r 2和r 3，如图所示，r 为到轴线的垂直距离，求r 从零到大于r 3的范围内磁感应强度B 的大小。 解：电流所产生的磁感应强度是呈轴对称分布，B 线是横截面上圆心在系统轴线上的圆周，同一条B 线上B 的值相等，故满足安培环路求B 的条件。 以轴线为圆心，取一半径为r 的圆环路，规定与导体圆柱的电流成右手螺旋关系的方向为 环路的绕行方向，由安培环路定理有 ∑?=?=?I r B l d B l 02μπ （1）r < r 1： 22 2211 I Ir I r r r ππ∑=?= 则 2 021 2Ir B r r πμ?= 所以 02 12Ir B r μπ= （2） r 1 < r < r 2，同理： I I ∑= ，则 02I B r μπ= （3）r 2 < r < r 3 ： 2222 3222223232 ()()()I I r r I I r r r r r r ππ-∑=-?-=-- 所以， 22 0322 32 2I r r B r r r μπ-= - （4） r > r 3 ： 0I ∑= ，则 B = 0 例9-3 一线圈由半径为m 2.0的41圆弧和相互垂直上的二直线组成，通有电流A 2，把它放在磁感应强度为T 5.0的均匀磁场中（磁感应强度的方向如图所示），求：（1）线圈平面与磁场垂直时，圆弧所受的磁力；（2）线圈平面与磁场成o 60角时，线圈所受的磁力矩？ 解：（1）在均匀磁场中，通电圆弧所受的磁力与通有相同电流的直线AB 直线所受的磁力相等，故 N RB I F AB 238.05.02.0222=???==方向如图所示：与AB 直线垂直，与OB 成夹角o 45； （2）线圈的磁矩为 n n n IS P m 221024 12.02-?=???==ππ 因为线圈面与磁场成o 60角，则m P 与B 成o 30角，则 例9-2图 图 例39-F 线圈所受的磁力矩 )(1057.130sin 2 m N B P B P M o m m ??==?=- 方向：力矩将驱动线圈法线转向到与B 平行。 四、思考题与习题解答 9-1 如图示为相互垂直的两个电流元，它们之间的相互作用力是否等值、反向？ 答：根据毕奥—萨伐尔定律可知电流元1l Id 在电流元2l Id 处的磁感应强度为零，则2l Id 受 力为零；而电流元2l Id 在电流元1l Id 处的磁感应强度为 2204r Idl dB πμ=（式中r 是两电流元的距离），方向垂直 纸平面外指，则1l Id 受力大小为2 1204r Idl Idl dF πμ=，方向 在纸平面内向下指。所以，该两个电流元之间的相互作用力不等值、反向。 9-2电流分布如图所示,图中有三个环路1,2和3, 磁感应强度沿其中每一个环路的线积分为多少?（环路的绕行方向从上往下看为逆时针方向） 解：因为已设环路的绕行方向从上往下看为逆时针方向，再根据穿过闭合环路电流的流向与环路的绕行方向成右手螺旋关系来确定电流的正负，可得 211 I I l d B L +=?? ； 222 I l d B L =?? ；123 I l d B L =?? 习题9-2图 9-3安培环路定理?=?I l d B 0μ 中的磁感应强度B ,是否只是穿过闭合回路内的电流激 发的?它与环路外面的电流有无关系?计算时考虑了没有?表现在什么地方? 习题9-1图 答：?=?I l d B 0μ 中闭合曲线上任一点的 B 是由空间所有电流决定的，由闭合曲线内外 的电流共同激发的磁场，即 B 是环路内外的电流激发的磁场的叠加。计算环路积分时，是包 括了内外电流的磁场的环路积分????+?=?l d B l d B l d B 外内，因为在整个环路上外电流磁场的积分等于零，所以??=?=?I l d B l d B 0μ 内，即 B 的环流仅与闭合曲线内所围的电流 有关，与闭合曲线外的电流无关。 9-4 在均匀磁场中放置两个面积相等的而且通过相同电流的线圈,一个是三角形,另一个是矩形.问两者所受到的最大磁力矩是否相同? 磁力的合力是否相同? 答：因为在均匀磁场中，任意形状闭合载流线圈受磁场的合力为零，所以，在同一个均匀磁场中放置的通有相同电流的线圈不管是三角形还是矩形所受磁力的合力都是零。 线圈的磁矩为n IS P m =，磁力矩的矢量式为B P M ?=，因为此两个线圈的面积、电流相等，所以所受的最大磁力矩相同。 9-5 通过一条绝缘长直导线的电流强度为A 2.0，求距离导线10cm 处的磁感应强度是多少特斯拉？方向如何？如果把该长直导线在中点处对折并绕在一起，其周围磁场如何？ 解：没对折时的磁感应强度大小为 )(1041 .022 .0104277 0T r I B --?=???== πππμ 磁感应强度方向：如习题9-5（a ）图所示，垂直纸面向里。 当直导线对折时，如习题9-5（b ）图所示， 右边半导线的电流在P 点产生的磁场垂直纸面 向里，左边半导线的电流在P 点产生的磁场垂直纸面向外，两者大小相等、方向相反，则P 点磁场为零。所以，当把该长直导线在中点处对折并绕在一起，其周围磁场为零。 9-6 一根长直导线上通有100A 的电流，把它放在0.005T 的匀强外磁场中，并使导线与外磁场正交，试求合磁场为零的点至导线的距离。 习题9-5图 r P r ) (b ) (a 解：设P 点处合磁场为0。在该处载流导线产生的磁感应强度的大小与外磁场相同、方向相反。设P 至导线的距离为r ，由r I B πμ20= 可得 )(104005 .02100 1042370m B I r --?=???==πππμ 答：合磁场为零的点至导线的距离我m r 3 104-?=。 9-7 把一个厚度为1.0mm 的铜片放在B=1.5T 的匀强磁场中,磁场垂直通过铜片,如果铜片载有200A 的电流,问铜片上、下两侧的霍尔电势有多大？（已知铜的电子密度为 328/104.8m n 个?=）。 解：)(102.210 106.1104.85 .120053 1928V nqd IB U ---?=?????== 答：铜片上、下两侧的霍尔电势有V 5 102.2-?。 9-8 求各图中O 点的磁感应强度B 的大小和方向. 解：左图：因为o 点在水平方向半无限长载流直导线的延长线上，此导线电流对o 点处的磁感应强度无贡献，所以o 点处磁场就是竖直方向的半无限长载流直导线所产生，即大小 a I B πμ40= ，方向是垂直纸面向里。 中间图：因为两部分长直线载流直导线的延长线过o 点，故它们对o 点处的磁感应强度无 贡献，所以o 点处磁场就是四分之一圆弧电流长载流直导线所产生，即大小028I B R μ=，方向是 垂直纸面向里。 右图：因为两部分长直线载流直导线的延长线过o 点，故它们对o 点处的磁感应强度无贡献，所以o 点处磁场就是二分之一圆弧电流长载流直导线所产生，即大小024I B R μ=，方向是垂 直纸面向里。 a I B πμ40= 028I B R μ= 024I B R μ= 习题9-8图 9-9 两根导线被引到金属三角形ABC 的A 、C 点上,电流方向如图所示,求三角形中心处的磁感应强度是多少? 解：O 点处的磁感应强度应是直导线1、2及三角形导线在O 点的B 的矢量和，导线1在O 点处的B 1 = 0，三角形导线ABC 在O 点处的B 2 = 0 ∵ 2A B B C A C B B B B =++ AB B 与BC B 的方向为⊙，AC B 的方向为 又∵ ABC AC U U =， ∴ ABC ABC AC AC I R I R ?=? 即： 1 2 AC ABC AC AC ABC AC ABC ABC l I R l s l I R l s ρ ρ==== 00(sin30sin30)44ABC ABC AB BC I I B B d d μμππ==?+?= 04AC AC I B d μπ= ∴ 20ABC AB AC B B B =-= 003sin sin 423I B B d μπππ?? == - ???00114302 I I atg μπ?== ?? ? 方向：垂直纸面向外⊙。 9-10 如图所示， 一根无限长的直长铜导线，轴线方向均匀通有电流I ，在导线内部做一平面S ，试计算通过每米导线内S 平面的磁通量。 解：由于无限长圆柱体导线内部的磁感应强度 B 的大小为 2 02R r I B πμ= r 是场点离开轴线的距离。 将每米导线内S 面沿轴线方向分割宽度很小的条 习题9-9图 A C B 习题9-10图 形面积dr dS ?=1，通过dS 的磁通量为 dr R r I Bdr d 2 02πμ= =Φ 则 π μπμπμ44200 2 00 20I R r I dr R r I Bdr R R S = ===Φ?? 答：通过每米导线内S 平面的磁通量为 π μ40I 。 9-11 电荷q 均匀地分布在半径为R 的圆环上,这环以匀角速度ω绕它的几何轴旋转.试 求:（1）轴线上离环心为x 处的磁感应强度B ;（2）磁矩. 解：（1）圆环上电荷所产生的运流电流为：2I q ωπ =? 在轴线上任一点所产生的磁场为：2 200223/2 223/2 2()4()IR qR B x R x R μμω π= = ++ 方向：与圆环绕行方向成右手系，与ω 同向。 （2）由磁矩定义 m P I S n = ∴ 221 22 m q P R q R ωπωπ?=?= 方向：与ω 同向。 9-12 一块半导体样品的体积为a b c ??,如图所示.沿x 方向有电流I,在z 方向加有均 匀磁场B .这时实验得出数据为a = 0.10 cm , I = 1.0 mA,1 310B T -=?,薄片两侧的电势 差 6.55AB U mV =.(1)问这半导体是正电荷导电(P 型)还是负电荷导电(N 型)?(2)设两个载流子的电荷量为19 1.6010 q c -=?,求载流子浓度(即单位体积内参加导电的带电粒子数). 解：（1）∵ U A > U B ∴ 应为N 型半导体 （2）由 /H U IB nqa = 得：31201923 1.010310 2.86101.6100.110 6.5510 AB IB n qa U -----???===???????个/m 3 9-13 如图，一正离子的电量为C q 19102.3-?=，经V U 6 100.5?=的高压加速后由小孔S 射入磁感应强度T B 5.0=的匀强磁场中，沿半圆周运动后打在P 点，测得P 点与小孔S 的距离m l 03.0=，试求该离子的质量？ 解：设正离子进入磁场的速度大小υ ，在磁场所受的力只改变它的运动方向。则有 l m R m Bq 2 2 2υυυ== 解得 m Bql 2=υ （1） 正离子进入磁场的动能为 22 1 υm qU = （2） 将（1）代入（2）得 )(108.110 0.58)03.0(102.3)5.0(8306 2 19222kg U ql B m --?=?????== 答：该离子的质量为kg 30 10 8.1-?。 9-14 一根长直导线载有电流为1I ，一长方形回路和它在同一平面内，载有电流为2I ，回路长为a ，宽为b ，靠近导线的一边距导线的距离为c ，如图所示。求直导线电流的磁场作用在这回路上的合力。 解：长直导线在空间所产生的磁感应强度为 02I B r μπ= 长直导线右边纸面内的磁场方向是垂直纸面向里的。 矩形上下边所受安培力大小相等，方向相反，且作用在同一直线，故相互抵消。 矩形左边受力： 01 2122AB I f I a B I a c μπ=?=?? 方向：垂直AB 指向直导线。 矩形右边受力：012222() CD I I a f I aB c b μπ== + 习题9-14图 方向：垂直CD 远离直导线。 则直导线电流的磁场作用在这回路上的合力为 c c b ab I I b c c a I I f f f cd ab )(21122 10210+=??? ??+-=-=πμπμ 9-15 两个圆线圈分别载有电流1I 和2I ，它们的半径分别为1R 和2R ，线圈2的直径在线圈1的轴线上，两圆心相距为l ，如图所示。当L>>R 1、R 2时，求1I 作用在线圈2上的力矩。 解：线圈2在线圈 1的轴线上，I 1所产生的B 为：2 011223/2 12()I R B R L μ= + 方向：沿轴线向外，如图。 ∵ L >> R 1，R 2，故可认为B 是均匀的。 由磁力矩定义：m M P B =? 2 222m P I R π= 方向：垂直I 1轴线向上 ∴ 2 22 2 011 012 1 222223/2 3 1 2() 2m I R I I R R M P B I R R L L μμππ=== + 五、自测题 9-1如图所示，圆心在两直线的连线上。总电流I 分成两个相等的分电流时，圆心处的磁 感应强度是 ？ （0） 9-2如图所示，一条由三个半径为R 的半圆弧组成的载流导线位于均匀磁场中，磁场B 垂直于导线所在的平面，通过导线的电流为I ，则导线所受的安培力是 。（RIB 6） 9-3空间某一区域有均匀电场E 和均匀磁场B ，E 和B 同方向。一电子（质量为m 、电 习题 9-15 图 自测题2 图 自测题1 量为e -）以初速度υ 在场中开始运动，υ 与E 的夹角为α，求电子的加速度大小、并指出电子的运动轨迹。 （αυ22 2sin )()( m B e E m e +， 电子的运动轨迹是变螺距的螺旋线。） 9-4 将半径为R 的无限长导体薄壁管（厚度忽略）沿轴向割去一宽度为h （R h <<）的无限长狭缝后，再沿轴向均匀地流有电流，其面电流密度为i ，求管轴线上磁感应强度的大小？ （ R ih πμ20） 自测题4 图 第8章 稳恒磁场 习题及答案 6. 如图所示，AB 、CD 为长直导线，C B 为圆心在O 点的一段圆弧形导线，其半径为R 。若通以电流I ，求O 点的磁感应强度。 解：O 点磁场由AB 、C B 、CD 三部分电流产生，应用磁场叠加原理。 AB 在O 点产生的磁感应强度为 01 B C B 在O 点产生的磁感应强度大小为 R I B 402 R I R I 123400 ，方向垂直纸面向里 CD 在O 点产生的磁感应强度大小为 )cos (cos 4210 03 r I B )180cos 150(cos 60cos 400 R I )2 31(20 R I ，方向垂直纸面向里 故 )6 231(203210 R I B B B B ，方向垂直纸面向里 7. 如图所示，两根导线沿半径方向引向铁环上的A ，B 两点，并在很远处与电源相连。已知圆环的粗细均匀，求环中心O 的磁感应强度。 解：圆心O 点磁场由直电流 A 和 B 及两段圆弧上电流1I 与2I 所产生，但 A 和 B 在O 点 产生的磁场为零。且 21221R R I I 电阻电阻 1I 产生的磁感应强度大小为 ）（ 241 01R I B ，方向垂直纸面向外 2I 产生的磁感应强度大小为 R I B 4202 ，方向垂直纸面向里 所以， 1) 2(21 21 I I B B 环中心O 的磁感应强度为 0210 B B B 8. 如图所示，一无限长载流平板宽度为a ，沿长度方向通过均匀电流I ，求与平板共面且距平板一边为b 的任意点P 的磁感应强度。 解：将载流平板看成许多无限长的载流直导线，应用叠加原理求解。 以P 点为坐标原点，垂直载流平板向左为x 轴正方向建立坐标系。在载流平板上取dx a I dI ，dI 在P 点产生的磁感应强度大小为 x dI dB 20 dx ax I 20 ，方向垂直纸面向里 P 点的磁感应强度大小为 第四章 恒定磁场 (注意：以下各题中凡是未标明磁媒质的空间，按真空考虑） 4-1 如题4-1图所示，两条通以电流I 的半 无穷长直导线垂直交于O 点。在两导 线所在平面，以O 点为圆心作半径为R 的圆。求圆周上A 、B 、C 、D 、E 、F 各点的磁感应强度。 解 参考教材71页的例4-1，可知，图4-2所示通有电流I 的直导线在P 点产生的磁感应强度为 ()αθθπμe B 120cos cos 4--=r I 因此，可得（设参考正方向为指出纸面） R I R R I B A πμπμ422 135cos 180cos 220cos 135cos 400= ???? ? ? ??----= ()R I R I B B πμπμ410cos 90cos 400=--= 用类似的方法可得 R I B C πμ40=， I R B C 021 2μπ-=，R I B D πμ40=，R I B E πμ20=，I R B F 021 2μπ+- = 4-2 xy 平面上有一正n 边形导线回路。回路的中心在原点，n 边形顶点到原点的距离为R 。导线中电流为I 。 1）求此载流回路在原点产生的磁感应强度； 2）证明当n 趋近于无穷大时，所得磁感应强度与半径为R 的圆形载流导线回路产生的磁感应强度相同； 3）计算n 等于3时原点的磁感应强度 。 解 如图4-3中所示为正n 边形导线回路的一个边长，则所对应的圆心角为n π 2， 1）n 条边在圆心产生的磁感应强度为 απe B ?? ? ??=n R tan 20 2）当n ∞→时，圆心处的磁感应强度为 ααμππμe e B R I n R I n n 2tan 2lim 00=??? ??=∞→ 3）当n 等于3时圆心处的磁感应强度为 ααπμππμe e B R I R I 2333tan 2300=?? ? ??= 4-3 设矢量磁位的参考点为无穷远处，计算半径为R 的圆形 导线回路通以电流I 时，在其轴线上产生的矢量磁位。 解 如图4-4建立坐标系，可得轴线上z 处的矢量磁位为 0d 4220=+=?l R z I l A πμ 4-4 设矢量磁位的参考点在无穷远处，计算一段长为2米的直线电流I 在其中垂 线上距线电流1米处的矢量磁位。 解 据76页例4-4，可得 () () 12210cos 1sin cos 1sin ln 4θθθθπμ--=I z e A ， 其中， 451=θ， 1352=θ，则 1212ln 42212222122ln 400-+=???? ??+???? ??+=πμπμI I z z e e A 4-5 在空间，下列矢量函数哪些可能是磁感应强度？哪些不是？回答并说明理 由。 1） Ar r e （球坐标系） 2） A x y y x ()e e + 3） )(y x y x A e e - 4） Ar e α（球坐标系） 5） Ar e α（圆柱坐标系） 解 1） 03)(13 2≠== ??A A r r r ??A 2） 0 ==++??z A y A x A z y x ??????A 3） 01-1 ===++ ??z A y A x A z y x ??????A 由于0=??B ，因此以上表达式中，1）不是磁感应强度表达式，而2）~5） 可能是磁感应强度表达式。 4-6 相距为d 的平行无限大平面电流，两平面分别在z d =-/2和z d =/2平行于 xy 平面。面电流密度分别为K x e 和K y e ，求由两无限大平面分割出的三个空 第五章 恒定磁场与磁介质 一、 选择题 1、 关于稳恒磁场的磁场强度H 的下列几种说法中哪个是正确的（） A 、H 仅与传导电流有关。 B 、若闭合曲线内没有包围传导电流，则曲线上各点的H 为零 C 、若闭合曲线上各点的H 均为零，则该曲线所包围传导电流的代数和为零 D 、以闭合曲线L 为边缘的任意曲面的H 通量均相等 答案：C 2、磁介质有三种，用相对磁导率r μ表征它们各自的特性时（） A 、顺磁质r μ>0，抗磁质r μ<0，铁磁质r μ》1 B 、顺磁质r μ>1，抗磁质r μ=1，铁磁质r μ》1 C 、顺磁质r μ>1，抗磁质r μ<1，铁磁质r μ》1 D 、顺磁质r μ>0，抗磁质r μ<0，铁磁质r μ>1 答案：C 3、 用细导线均匀密绕成的长为l ，半径为a(l 》a)，总匝数为N 的螺线管通以稳恒电流I ，当管内充满磁导率为r μ的 均匀磁介质后，管中任意一点（） A 、磁感应强度大小为B=r μμ0NI B 、磁感应强度大小为B=r μNI /l C 、磁场强度大小为H=0μNI/l D 、磁场强度大小为H=NI/l 答案：D 4、 顺磁物质的磁导率（） A 、比真空的磁导率略小 B 、比真空的磁导率略大 C 、远小于真空的磁导率 D 、远大于真空中的磁导率 答案：B 5、 通电直长螺线管内的一半空间充满磁介r u ，在螺线管中，介质中与空气中相等的物理量是（） A 、 B 1=B 2 B 、H 1=H 2 C 、M 1=M 2 D 、21 ψψ= 答案：B 6、 图中所示的三条线分别表示三种不同磁介质的B-H 关系，表示顺磁质的是（） A 、第一条 B 、第二条 C 、第三条 D 、无法判断 答案：B 7、 磁铁能吸引铁钉之类的小物体是由于（） A 、小物体是铁磁性的，被磁铁磁化，受到吸引力 B 、小物体是顺磁性的，被磁铁磁化，受到吸引力 C 、小物体是抗磁性的，被磁铁磁化，受到吸引力 D 、磁铁和小物体都是顺磁性物质，相互吸引 答案：A 8、如图所示，一永磁环，环开一很窄的空隙，环内磁化强度矢量为M ，则空隙中P 点处的H 的大小为（） A 、0μM B 、M C 、r μμ0M D 、0 答案：B 9、如图所示，一根沿轴向均匀磁化的细长永磁棒，磁化强度为M ，图中所标各点的磁感应强度是（） A 、0,3021 ===B M B B μ B 、M B B M B 032012 1 ,μμ= == 衡水学院 理工科专业 《大学物理B 》 稳恒磁场 习题解答 一、填空题（每空1分） 1、电流密度矢量的定义式为：dI j n dS ⊥ =v v ，单位是：安培每平方米（A/m 2） 。 2、真空中有一载有稳恒电流I 的细线圈，则通过包围该线圈的封闭曲面S 的磁通量? = 0 ．若通过S 面上某面元d S v 的元磁通为d ?，而线圈中的电流增加为2I 时,通过同一面元的元磁通为d ?＇，则d ?∶d ?＇= 1:2 。 3、一弯曲的载流导线在同一平面内，形状如图1(O 点是半径为R 1和R 2的两个半圆弧的共同圆心，电流自无穷远来到无穷远去)，则O 点磁感强度的大小是2 02 01 00444R I R I R I B πμμμ- + = 。 4、一磁场的磁感强度为k c j b i a B ? ???++= (SI)，则通过一半径为R ，开口向z 轴正方向的半球壳表面的磁通量的大 小为πR 2c Wb 。 5、如图2所示通有电流I 的两根长直导线旁绕有三种环路；在每种情况下，等于： 对环路a ：d B l ??v v ?=____μ0I __； 对环路b ：d B l ??v v ?=___0____； 对环路c ：d B l ??v v ? =__2μ0I __。 6、两个带电粒子，以相同的速度垂直磁感线飞入匀强磁场，它们的质量之比是1∶4，电荷之比是1∶2，它们所受的磁场力之比是___1∶2__，运动轨迹半径之比是_____1∶2_____。 二、单项选择题（每小题2分） （ B ）1、均匀磁场的磁感强度B v 垂直于半径为r 的圆面．今以该圆周为边线，作一半球面S ，则通过S 面的磁通量的大小为 A. 2?r 2B B.??r 2B C. 0 D. 无法确定的量 （ C ）2、有一个圆形回路1及一个正方形回路2，圆直径和正方形的边长相等，二者中通有大小相等的电流，它们在各自中心产生的磁感强度的大小之比B 1 / B 2为 A. B. C. D. （ D ）3、如图3所示，电流从a 点分两路通过对称的圆环形分路，汇合于b 点．若ca 、bd 都沿环的径向，则在环形分路的环心处的磁感强度 A. 方向垂直环形分路所在平面且指向纸内 B. 方向垂直环形分路所在平面且指向纸外 第九章 稳恒磁场 9-1 如图所示，无限长载流导线附近，球面Ｓ向导线靠近，穿 过Ｓ的磁通量Φ将不变，面上各点磁感应强度的大小将增大。(均填“增大”或“减小”或“不变”) 9-2 如图，载有电流I 的无限长直导线的一侧有一等腰直角三角形的回路ＭＮＯ，回路和长直导线共面，回路的ＭＮ边与导线平行，相距为a ，而且ＭＮ和ＭＯ的长度也等于a ，求通过此回路的磁通量。 解：取如图所示的面积元（阴影部分），通过此面积元的磁通 量为 dr r a r I S d B d )2(20-=?=Φπμ 所以，通过三角形面积的磁通量为 )12ln 2(2)2(2020-=-=Φ=Φ?? π μπμIa dr r a r I d a a 9-3 图示为一张某粒子在均匀磁场B 中运动轨迹的照片，中间阴影区为铅板，粒子通过铅板后速度变小，从图中可以看出左半部轨迹较右半部弯曲得厉害些，则该粒子（Ｂ） （Ａ）不带电。（）带正电。（Ｃ）带负电。（Ｄ）不能判断。 解：从图中可以看出粒子由右向左运动。设粒子带正电，判断后发现其运动轨迹与图形符合，所以带正电。 9-4 如图，质量m 、电量e -的电子以速度v 水平射入均匀磁场B 中，当它在水平方向运动l 距离后，有人计算其横向偏移y 如下（不计重力）： evB f =，加速度m evB a =，时间v l t =，所以 )2/(2 1 22mv eBl at y == 其错误在于电子做匀速圆周运动，不是抛物线运动。正确答案是___。 解：正确解法如下： 设电子作圆周运动的半径为R ，则eB mv R = 。由图可以得出 22l R R y --=-= eB mv 2 2)( l eB mv - 9-5 图为某载流体（通电导体或半导体）的横截面，电流的方向垂直于纸面向。若在 第八章 真空中的稳恒磁场 一、 基本要求 1．掌握磁感应强度的概念。理解毕奥－萨伐尔定律。能计算一些简单问题中的磁感应强度。 2．理解稳恒磁场的规律：磁场的高斯定理和安培环路定理。理解用安培环路定理计算磁感应强度的条件和方法。 3．理解安培定律和洛仑兹力公式。了解磁矩的概念。能计算简单几何形状载流导体和载流平面线圈在均匀磁场中或在无限长直载流导线产生的非均匀磁场中所受的力和力矩。能分析点电荷在均匀电磁场（包括纯电场，纯磁场）中的受力和运动。 二、 基本内容 1. 基本概念：电流产生磁场，描述磁场的基本物理量——磁感应强度矢量，磁场线，磁通量，磁场对电流的作用。 2. 毕奥－萨伐尔定律 电流元d l I 在空间某点激发的磁感应强度为： 02 4d d r μπ?=l r B I 其中，r 表示从电流元到该点的距离，0r 表示从电流元到该点的单位矢量。 从该定律可以直接得到在直电流的延长线和反向延长线上各点的磁感应强度为零。它是求解磁场的基本规律，它从电流元的磁场出发，可得到计算线电流产生磁场的方法 2 ()() 4L L d d r μ π ?==?? l r B B I 应用上式在教材中导出了一些电流产生磁场的计算公式，包括：一段直电流在空间任意一点的磁场，无限长直载流导线在空间任意一点的磁场，圆电流在轴线上各点的磁场，一段载流圆弧在圆心处的磁场，圆电流在圆心处的磁场。 这些计算公式在求解问题时可以直接使用。 3. 磁场的叠加原理 121 n n i i ==++ +=∑B B B B B 该原理表明多个电流在空间某点产生的磁场，等于各电流单独存在时在该点处产生的磁场的矢量和。将磁场的计算公式和叠加原理结合使用，可以求解多种电流在空间某点产生的磁场。在计算中首先应该将复杂的电流分成计算公式已知的电流段，然后分段计算，最后求出矢量和。对于电流连续分布的载流体，可以选择合适的电流元dI ，用已知公式求出电流元在所求点的磁场d B ，然后根据d B 的分布特点，建立合适的坐标系，求出各个磁场分量，最后求其矢量和。 4. 磁场中的高斯定理 () 0S d ?=?? B S 该定理表明：磁场是无源场，磁场线是无头无尾的闭合曲线。应用该定理求解均匀磁场中非闭合曲面的通量时，可以作平面，使平面和曲面形成闭合曲面，由于闭合曲面的通量为零，即曲面的通量等于平面通量的负值，从而达到以平代曲的目的。 5. 安培环路定理 01 N i L i d I μ=?=∑? B l 该定理表明：磁场是有旋场，磁场是非保守力场。应用该定理时，首先应该注意穿过以L 为边界的任意曲面的电流的正负；其次应该知道环流为零，环路上各点的磁感应强度不一定为零。在应用定理求解具有轴对称电流分布的磁场和均匀磁场的磁感应强度时，要根据电流的对称性和磁场的性质选择合适的环路L 。 6. 安培定律 电流元在外磁场中受安培力为： d Id =?f l B 其中，d f 的大小?sin IdlB df =，d f 方向由Id ?l B 确定。 该定律是计算磁场对电流的作用的基本定律。一段载流导线在磁场中受到的安培力为： () () L L d Id ==???f f l B 应用上式时，应该注意电流上各点的磁场是否均匀及磁力的分布特点。如果电流 第五章 稳恒磁场 设0x <的半空间充满磁导率为μ的均匀介质，0x >的半空间为真空，今有线电流沿z 轴方向流动，求磁感应强度和磁化电流分布。 解：如图所示 令 110A I H e r = 220A I H e r = 由稳恒磁场的边界条件知， 12t t H H = 12n n B B = 又 B μ= 且 n H H = 所以 1122H H μμ= (1) 再根据安培环路定律 H dl I ?=?? 得 12I H H r π+= (2) 联立(1),(2)两式便解得 2112 0I I H r r μμμμπμμπ=? =?++ 01212 0I I H r r μμμμπμμπ= ? =?++ 故， 01110I B H e r θμμμμμπ== ?+ 02220I B H e r θμμμμμπ== ?+ 212()M a n M M n M =?-=? 2 20 ( )B n H μ=?- 00()0I n e r θμμμμπ-= ???=+ 222()M M M J M H H χχ=??=??=?? 00 00(0,0,)z J Ie z μμμμδμμμμ--=?=?++ 半径为a 的无限长圆柱导体上有恒定电流J 均匀分布于截面上，试解矢势 A 的微分方程，设导体的磁导率为0μ，导体外的磁导率为μ。 解： 由电流分布的对称性可知，导体内矢势1A 和导体外矢势2A 均只有z e 分量，而与φ，z 无关。由2A ?的柱坐标系中的表达式可知，只有一个分量，即 210A J μ?=- 220A ?= 此即 1 01()A r J r r r μ??=-?? 2 1()0A r r r r ??=?? 通解为 21121 ln 4 A Jr b r b μ=-++ 212ln A c r c =+ §3 磁场的“高斯定理”与安培环路定理 引言： 磁场、电场均是矢量场，但磁场与电场性质不同。在电学中有场方程： ?∑=?S s q s d D 内 0??， ?=?0l d E ? ? 而在磁学中相应的该两方面（通量、环流）又该如何？即 ?=?s s d B ???， ?=??L l d B ? ? 它们均可由毕奥－萨伐尔定律，结合叠加原理导出。 一、磁场的“高斯定理” 1、磁通量 引入磁力线形象化地描述磁场，疏密和切向所代表的含义类同电力线。如图5-17，规定：通过一曲面S 的磁通量为 ? ?=?=ΦS S m dS B S d B θcos ? ? 在SI 制中各物理量的单位为 m Φ：韦伯（Wb ），1韦伯=1特21米? B ρ ： 特斯拉（T ），2111米 韦伯特=，具有磁通密度概念。 2、B ρ 线的闭合性 即磁场的高斯定理：?=?S S d B 0? ?。表明：闭合曲面S 的磁通量为零，自然界 中不存在自由磁荷（磁单极）。因稳恒电流本身是闭合的（? =?S S d j 0? ?） ，故闭合电流与闭合B ? 线相互套链。高斯定理也表明，磁力线是无头无尾的闭合线，磁场是无源场。 图5-17 图5-18 θ B ? d n ds s ? ?= Id l ?θ r d B ? 闭面S 3、高斯定理的证明思路 高斯定理可从毕奥－萨伐尔定律严格证明，这里仅提供思路。如图5-18。 (1) 首先考虑单个电流元l Id ? 之场中 以l Id ?为轴线取一磁力线元管，其上磁场2 04sin r Idl dB πθμ=处处相等；再取任意闭曲面S ，若S 与之交链，则一进一出，0=Φm d ；若S 与之不交链，仍0=Φm d ； 再展扩至整体S 面上，得0=Φm 。 (2) 然后再考虑任意回路之总场是各电流元之场的叠加，因l Id ? 是任一电流 元，故对整体考虑，其结论不变。 二、安培环路定理 1、研究：?=?L l d B ?? ? 2、特点：取积分回路L （称之为安培环路）沿B ?线，因B ?线闭合，且B ? 与l d ?的夹角为零，而有?≠?L l d B 0? ?。 3、内容：∑?=?) (0内L L I l d B μ? ?，其中右侧为穿过闭路L 的电流之代数和，按右 手定则规定，参见图5-19。 图5-19 4、定理证明：该定理可由毕奥－萨伐尔定律证明，下面先看l d B ρ ρ?，再计算??L l d B ρ ρ，最后再用叠加原理。 如图5-20，L －安培环路，L '－载流回路，作一负l d ρ 位移后成L ''。 I I L （正） L （负） 右手定则 → → 班级 学号 第十次 稳恒磁场 得分 姓名 基本内容和主要公式 1. 电流强度和电流密度 电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量 （电流强度是标量，可正可负） 电流密度：电流密度是矢量，其方向决定于该点的场强E 的方向（正电荷流动的方向），其大小等于通过该点并垂直于电流的单位截面的电流强度 d Q I d t = ， dI j e dS = ， ?? ?=S S d j I 2. 电流的连续性方程和恒定电流条件 电流的连续性方程：流出闭合曲面的电流等于单位时间闭合曲面内电量增量的负值（其实质是电荷守恒定律） dt dq S d j -=??? ， （ t j ??-=? ?ρ ） 恒定电流条件： 0=??? S d j ， （ 0=? ?j ） 3. 欧姆定律和焦耳定律及其微分形式 U I R = ， j E σ= ， 2Q A I Rt == ， 2 p E σ= 4. 电动势的定义：单位正电荷沿闭合电路运行一周非静电力所作的功 ?+ - ?== l d K q A ε， K dl ε= ? 5. 磁感应强度：是描述磁场的物理量，是矢量，其大小为0sin F B q v θ = ，式中F 是运 动电荷0q 所受洛伦兹力，其方向由 0F q v B =? 决定 磁感应线：为了形象地表示磁场在空间的分布，引入一族曲线，曲线的切向表示磁场的方向，密度是磁感应强度的大小 磁通量：s B dS φ= ?? （可形象地看成是穿过曲面磁感应线的条数） 6．毕奥一萨伐尔定律： 03 4Idl r dB r μπ?= 3 4L Idl r B r μπ ?=? 7．磁场的高斯定理和安培环路定理 磁场的高斯定理：0S B dS =?? 、 （ 0B ?= ） （表明磁场是无源场） 安培环路定理： 0i L i B dl I μ=∑? 、 L S B dl j dS = ??? 、(0B j μ??= ) （安培环路定理表明磁场是有旋场） 8．安培定律： dF Idl B =? 、L F Idl B = ?? 磁场对载流线圈的作用: M m B =? (m 是载流线圈的磁矩 m IS = ) 9．洛伦兹力：运动电荷所受磁场的作用力称为洛伦兹力 f qv B =? 带电粒子在匀强磁场中的运动：运动电荷在匀强磁场中作螺旋运动，运动半径为m v R qB ⊥= 周期为 2m T qB π= 、螺距为 2m v h v T qB π== 霍尔效应 ： 12H IB V V K h -= 式中H K 称为霍尔系数，可正可负，为正时表明正电荷 导电，为负时表明负电荷导电 1H K nq = 10．磁化强度 磁场强度 磁化电流 磁介质中的安培环路定理 m M τ ∑=? 、 L L M dl I =∑? ， 内 、 n i M e =? ， 0 B H M μ=- 、 m M H χ= 、 0 0m r B H H μχμμμ== （1+）H= 0i L i H dl I =∑? 、 L S H dl j dS = ??? 九、稳恒磁场 磁感应强度 9-1 如图9-1所示，一条无穷长载流20 A 的直导线在P 点被折成1200的钝角，设d ＝2cm ， 求P 点的磁感应强度。 9-2半径为R 的圆弧形导线与一直导线组成回路，回路中通有电流I ，如图9-2所示，求弧心 O 点的磁感应强度（图中 ? 为已知量）。 9-3 两根长直导线沿半径方向引到铁环上A 、B 两点，并与很远的电源相连。如图9-3所示， 求环中心的磁感应强度。 图 9-1 磁矩 9-4一半径为R的薄圆盘，其中半径为r的阴影部分均匀带正电，面电荷密度为+s，其余部分均匀带负电，面电荷密度为-s（见图9-4）。设此盘以角速度为ω绕其轴线匀速转动时，圆盘中心O处的磁感应强度为零，问R和r有什么关系？并求该系统的磁矩。 图9-4 9-5氢原子处在正常态（基态）时，它的电子可看作是在半径为a＝0.53×10－8cm的轨道（称为玻尔轨道）上作匀速圆周运动，若电子在轨道中心处产生的磁感应强度大小为12.5T，求（1）电子运动的速度大小？（2）该系统的磁矩。（电子的电荷电量e＝1.6×10－19C）。 磁通量 9-6已知一均匀磁场的磁感应强度B＝2T，方向沿x轴正方向，如图9-6所示，已知ab＝cd ＝40cm，bc＝ad＝ef＝30cm，be＝cf＝30cm。求：（1）通过图中abcd面的磁通量；（2）通过图中befc面的磁通量；(3)通过图中aefd面的磁通量。 图9-6 9-7两平行长直导线相距d＝40cm，每根导线载有等量同向电流I，如图9-7所示。求：（1）两导线所在平面内，与左导线相距x（x在两导线之间）的一点P处的磁感应强度。(2)若I＝20A，通过图中斜线所示面积的磁通量（r1＝r3＝10cm，l＝25cm)。 图9-7 第八章 稳恒磁场 磁介质 教学基本要求 1.理解磁感应强度的概念，掌握用毕--萨定律计算磁感应强度的方法． 2.掌握安培环路定理以及用来求解具有对称性磁场的方法． 3.能够用安培定律计算载流导线和回路所受的磁力和磁力矩． 4.掌握洛伦兹力公式，并由此计算带电粒子在均匀电场和均匀磁场中的受力和运动的简单情况． 5.了解顺磁质、抗磁质和铁磁质的特点及磁化机理． 6.掌握磁介质时的安培环路定理，并利用其求解磁介质时具有一定对称性的磁场分布． 教学内容提要 1.基本概念 （1）磁感应强度B max F B qv ⊥ = 其方向为小磁针N 极在此处所指方向． （2）载流线圈的磁矩 m IS =P n 其中n 为载流线圈正法线方向的单位矢量． （3）磁通量 d d Φ=Φ=??B S 2.磁场的产生 (1)运动电荷的磁场 034q r μπ?= ?v r B (2)毕奥——萨伐尔定律 0Id d μπ?= l r B (3)磁感应强度叠加原理 03 4L L Id d r μπ?==?? l r B B 3.稳恒磁场的基本性质 （1）高斯定理 0?=? s B dS （2）安培环路定理 0 i l d I μ?=∑?B l 4.几种典型磁场 （1）无限长载流直导线的磁场 02I B r = μπ （2）圆电流中心的磁场 02I B R μ= （3）长直载流螺线管内的磁场 0B nI μ= （4）载流密绕螺绕环内的磁场 0N B I L μ= （5）圆电流轴线上的磁场 2 02 232 2() IR B R r μ= + 5.磁场力 （1）洛伦兹力 q ?f =υB （2） 安培力公式 d Id ?F =l B L d Id == ??? F F l B （3）载流平面线圈在均匀磁场中受到的合磁力 0=F 合 受到的磁力矩 =?m M P B 6.磁介质的分类 （1）顺磁质. r μ略微大于1的磁介质，磁介质磁化后产生的附加磁场与外磁场方向相同． （2）抗磁质．r μ略微小于1的磁介质，磁介质磁化后产生的附加磁场与外磁场方向相反． （3）铁介质．1r μ>>的磁介质，磁介质磁化后能产生很强的与外磁场同方向的附加磁场． 7.有磁介质时高斯定理和安培环路定理 （1）高斯定理 s d ?? B S =0 第五章 稳恒磁场 引言： 电流通过导体有热效应，通过电解液有化学效应。本章讨论电流的磁效应：电流在其周围空间激发磁场，磁场对电流有磁力作用。 本章重点介绍真空中静磁学知识，建立稳恒磁场之基本方程式。研究方法仍为场论方法，注意与静电场比较和区别。 §1 磁的基本现象和规律 一、磁作用 电与磁常相伴随、相互转化，相互作用综述为图5-1所示几种情况。 图5-1 图5-2 1、磁铁间的相互作用 结合实物演示说明： (1)同种磁极相互排斥、异种磁极相互吸引，参见图5-2； (2)将一磁棒分为两段，N 、S 极并不能相互分离，不存在磁单极； (3)地球本身是一大磁体，其磁性N 极在地理南极，磁性S 极在地理北极。 自由悬挂的条形磁棒或长磁针始终指南北，即是上规律的体现——指南针及应用。 2、电流对磁铁的作用 图5-3 N S N S S N N S N S 电流 磁铁 磁铁 电流 ③ ② ② ③ ① ④ I S N N I N S S I N N S S S 通电导线周围产生磁场，通电螺线管相当于条形磁铁，参见图5-3。 3、磁铁对电流的作用 电流是运动电荷形成，表明磁极对运动电荷也有磁力作用，参见图5-4。 图5-4 右手定则判受力 4、电流对电流的作用 参见图5-5说明。 同向电流：吸引 反向电流：排斥 图5-5 以上均称为磁相互作用，是基本的磁现象。 二、磁场 1、物质磁性的基本来源 螺线管通电后的磁性与磁棒的相似性，启发人们：磁铁与电流是否在本源上一致？ （19 世纪，法国）安培分子电流假说：组成磁铁的最小单元——磁分子就是环形电流。若这些分子电流定向排列，宏观上即显示N 、S 极。 ●磁分子的“分子电流”等效成图5-6 ●分子环流形成的微观解释：原子、分子内电子的绕核旋转和自转。 综上可见：一切磁效应均来源于电流；一切磁作用都是电流与电流之间的相互作用，或说成运动电荷之间的相互作用。 I N S F N S F 第 8 章 稳恒磁场 习题及答案 6. 如图所示， AB 、 CD 为长直导线， BC 为圆心在 O 点的一段圆弧形导线，其半径为 R 。 若通以电流 I ，求 O 点的磁感应强度。 解： O 点磁场由 AB 、 BC 、 CD 三部分电流产生，应用磁场叠加原理。 AB 在 O 点产生的磁感应强度为 B 1 0 BC 在 O 点产生的磁感应强度大小为 B 2 0 I 0 I 3 0 I ，方向垂直纸面向里 4 R 4 R 12R CD 在 O 点产生的磁感应强度大小为 B 3 I (cos 1 cos 2 ) 4 r 0 0 I 4 R cos60 0 (cos150cos180 ) 0 I 3 (1 ) ，方向垂直纸面向里 2 R 2 故 B 0 B 1 B 2 B 3 0 I (1 3 ) ，方向垂直纸面向里 2 2 R 6 A ， B 两点，并在很远处与电源相连。已知 7. 如图所示，两根导线沿半径方向引向铁环上的 圆环的粗细均匀，求环中心 O 的磁感应强度。 解：圆心 O 点磁场由直电流 A 和 B 及两段圆弧上电流 I 1 与 I 2 所产生，但 A 和 B 在 O 点 产生的磁场为零。且 I 1 电阻 R 2 I 2 电阻 R 1 2 I 1 产生的磁感应强度大小为 B 1 0 I 1 2） （ 4 R ，方向垂直纸面向外 I 2 产生的磁感应强度大小为 B 2 0 I 2 ，方向垂直纸面向里 4 R 所以， B 1 I 1 (2 ) 1 B 2 I 2 环中心 O 的磁感应强度为 B 0 B 1 B 2 8. 如图所示，一无限长载流平板宽度为 a ，沿长度方向通过均匀电流 I ，求与平板共面且距平 板一边为 b 的任意点 P 的磁感应强度。 解：将载流平板看成许多无限长的载流直导线，应用叠加 原理求解。 以 P 点为坐标原点，垂直载流平板向左为 x 轴正方向建立 坐标系。在载流平板上取 dI I dx ， dI 在 P 点产生的磁感应 a 强度大小为 第四章 恒定磁场 (注意:以下各题中凡就是未标明磁媒质得空间,按真空考虑) 4-1 如题41图所示,两条通以电流得半无 穷长直导线垂直交于O 点。在两导线 所在平面,以O 点为圆心作半径为得 圆。求圆周上A 、B 、C 、D 、E 、F 各 点得磁感应强度。 解 参考教材71页得例41,可知,图42所示 通有电流得直导线在点产生得磁感应强度 为 因此,可得(设参考正方向为指出纸面) R I R R I B A πμπμ422135cos 180cos 220cos 135cos 400=????? ? ??----=οοοο 用类似得方法可得 ,,,, 4-2 平面上有一正边形导线回路。回路得中心在原点,边形顶点到原点得距离为。导线中电流为。 1)求此载流回路在原点产生得磁感应强度; 2)证明当趋近于无穷大时,所得磁感应强度与半径为得圆形载流导线回路产生得磁感应强度相同; 3)计算等于3时原点得磁感应强度 。 解 如图43中所示为正边形导线回路得一个边长,则所对应得圆心角为,各边在圆()()()()()αααααααππμππμθπμθπμθπμθθπμθθπμe e e e e e e B ?? ? ??=??? ??====---=--=n R I n r I r I r I r I r I r I tan 2sin 2cos 2cos 2cos 24cos cos 4cos cos 4001010101101201 1)n 条边在圆心产生得磁感应强度为 2)当n 时,圆心处得磁感应强度为 3)当等于3时圆心处得磁感应强度为 4-3 设矢量磁位得参考点为无穷远处,计算半径为得圆形导线回路通以电流时,在其轴线上产生得矢量磁位。 解 如图44建立坐标系,可得轴线上处得矢量磁位为 4-4 设矢量磁位得参考点在无穷远处,计算一段长为2米得直线电流在其中垂线上距线电流1米处得矢量磁位。 大学物理稳恒磁场解读 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 第十一章稳恒磁场 磁场由运动电荷产生。 磁场与电场性质有对称性，学习中应注意对比。 §11－1 基本磁现象 磁性，磁力，磁现象； 磁极，磁极指向性，N极，S极，同极相斥，异极相吸。 磁极不可分与磁单极。 一、电流的磁效应 1819年，丹麦科学家奥斯特发现电流的磁效应； 1820年，法国科学家安培发现磁场对电流的作用。 二、物质磁性的电本质 磁性来自于运动电荷，磁场是电流的场。 注：1932年，英国物理学家狄拉克预言存在“磁单极”，至今科学家一直在努力寻找其存在的证据。 §11－2 磁场磁感强度 一、磁场 磁力通过磁场传递，磁场是又一个以场的形式存在的物质。 二、磁感强度 磁感强度B的定义： （1）规定小磁针在磁场中N极的指向为该点磁感强度B的方向。若正电荷沿此方向运动，其所受磁力为零。 （2）正运动电荷沿与磁感强度B垂直的方向运动时，其所受最大磁力F max与电荷电量q和运动速度大小v的乘积的比值，规定为磁场中某点磁感强度的大小。即： 磁感强度B是描写磁场性质的基本物理量。若空间各点B的大小和方向均相等，则该磁场为均匀磁场；若空间各点B的大小和方向均不随时间改变，称该磁场为稳恒磁场。 磁感强度B的单位：特斯拉（T）。 §11－3 毕奥－萨伐尔定律 一、毕－萨定律 电流元: 电流在空间的磁场可看成是组成电流的所有电流元在空间产生 元磁感强度的矢量和。 式中μ0：真空磁导率，μ0＝4π×10－7 NA 2 dB的大小： d B的方向：d B总是垂直于Id l与r组成的平面，并服从右手定则。 一段有限长电流的磁场： 二、应用 1。一段载流直导线的磁场 说明： （1）导线“无限长”： 第十一章稳恒磁场 磁场由运动电荷产生。 磁场与电场性质有对称性，学习中应注意对比。 §11－1 基本磁现象 磁性，磁力，磁现象； 磁极，磁极指向性，N极，S极，同极相斥，异极相吸。 磁极不可分与磁单极。 一、电流的磁效应 1819年，丹麦科学家奥斯特发现电流的磁效应； 1820年，法国科学家安培发现磁场对电流的作用。 二、物质磁性的电本质 磁性来自于运动电荷，磁场是电流的场。 注：1932年，英国物理学家狄拉克预言存在“磁单极”，至今科学家一直在努力寻找其存在的证据。 §11－2 磁场磁感强度 一、磁场 磁力通过磁场传递，磁场是又一个以场的形式存在的物质。 二、磁感强度 磁感强度B 的定义： （1）规定小磁针在磁场中N 极的指向为该点磁感强度B 的方向。若正电荷沿此方向运动，其所受磁力为零。 （2）正运动电荷沿与磁感强度B 垂直的方向运动时，其所受最大磁力F max 与电荷电量q 和运动速度大小v 的乘积的比值，规定为磁场中某点磁感强度的大小。即： qv F B max = 磁感强度B 是描写磁场性质的基本物理量。若空间各点B 的大小和方向均相等，则该磁场为均匀磁场．．．．；若空间各点B 的大小和方向均不随时间改变，称该磁场为稳恒磁场．．．． 。 磁感强度B 的单位：特斯拉（T ）。 §11－3 毕奥－萨伐尔定律 一、毕－萨定律 电流元: l Id 电流在空间的磁场可看成是组成电流的所有电流元l Id 在空间产生元磁感强度的矢量和。 式中μ0：真空磁导率，μ0＝4π×10－7NA2 dB的大小： 2 sin 4r Idl dB θ π μ = d B的方向：d B总是垂直于Id l与r组成的平面，并服从右手定则。 一段有限长电流的磁场：? ?? = = l l r r l Id B d B 3 4π μ 二、应用 1。一段载流直导线的磁场 ) cos (cos 42 1 0θ θ π μ - = r I B 说明： （1）导线“无限长”： 2r I B π μ = （2）半“无限长”： 4 2 2 1 r I r I B π μ π μ = = 7章练习题 1、在磁感强度为B 的均匀磁场中作一半径为r 的半球面S ，S 边线所在平面的法线 方向单位矢量n 与B 的夹角为α ，则通过半球面S 的磁通量(取弯面向外为正)为 (A) πr 2B ． . (B) 2 πr 2B ． (C) -πr 2B sin α． (D) -πr 2 B cos α． 2、如图所示，电流I 由长直导线1经a 点流入由电阻均匀的导线构 成的正方形线框，由b 点流出，经长直导线2返回电源(导线1、2的延长线均通过O 点)．设载流导线1、2和正方形线框中的电 流在框中心O 点产生的磁感强度分别用 1B 、2B 、3B 表示，则O 点的磁感强度大小 (A) B = 0，因为B 1 = B 2 = B 3 = 0． (B) B = 0，因为虽然B 1≠ 0、B 2≠ 0、B 3≠ 0，但 0321=++B B B ． (C) B ≠ 0，因为虽然021=+B B ，但B 3≠ 0． (D) B ≠ 0，因为虽然B 3= 0，但021≠+B B ． 3、通有电流I 的无限长直导线有如图三种形状，则P ，Q ，O 各点磁感强度的大小B P ，B Q ，B O 间的关系为： (A) B P > B Q > B O . (B) B Q > B P > B O ． (C) B Q > B O > B P ． (D) B O > B Q > B P ． 4、磁场由沿空心长圆筒形导体的均匀分布的电 流产生，圆筒半径为R ，x 坐标轴垂直圆筒轴线，原点在中心轴线上．图(A)～(E)哪一条曲 线表示B －x 的关系？ ［ ］ B x O R (D) B x O R (C) B x O R (E) 第8章 恒定磁场 一、填空题 8.1、如图所示，平行的无限长直载流导线A 和B ， Y 电流强度均为I ，垂直纸面向外，两根载流导线 之间相距为a ，则 （1）AB 中点（P 点）的磁感应强度P B = ； （2）磁感应强度B 沿图中环路L 的线积分 ??L l d B = 。 8.2、一个绕有500匝导线的平均周长50cm 的细环，载有0.3A 电流时，铁芯的相对磁导率为600。 （1）铁芯中的磁感应强度B 为 ； （2）铁芯中的磁场强度H 为 。（170104--???=A m T πμ） 8.3、将条形磁铁插入与冲击电流计串联的金属环中时，有C q 5100.2-?=的电荷通过电流计。若连接电流计的电路总电阻Ω=25R ，则穿过环的磁通的变化 ?Φ= 。 8.4、如图所示，一长直导线中通有电流I ，有一与长直导线共面、垂直于导线的细金 属棒AB ，以速度v 平行于长直导线 作匀速运动。问 （1） 金属棒A 、B 两端的电势A U 和B U 哪 一个较高 ？ （2）若将电流I 反向，A U 和B U 哪一个较高 ？ （3）若将金属棒与导线平行放置，结果又如何 ？ 8.5、真空中一根无限长直导线中流有电流强度为I 的电流，则距导线垂直距离为a 的某点的磁能密度m w = 。 8.6、反映电磁场基本性质和规律的积分形式的麦克斯韦方程组为 ∑?==?n i i s q s d D 1 dt d L d E m L /Φ-=?? 0=??s s d B ∑?=Φ+=?n i D i L dt d I L d H 1 / 试判断下列结论是包含于或等效于哪一个麦克斯韦方程式的。将你确定的方程式用代号填在相应结论后的空白处。 （1）变化的磁场一定伴随有电场 ； （2）磁感应线是无头无尾的 ； （3）电荷总伴随有电场 。 8.7、将半径为R 的无限长导线薄壁管（厚度忽略） 沿轴向割去一个宽度为h （h < 第四章 习题一(磁场) 1、一根载有电流I 的无限长直导线，在A 处弯成半径为R 的圆形，由于导线外 有绝缘层，在A 处两导线并不短路，则在圆心处磁感应强度B 的大小为( C ) (A) I (μ0＋1)／(2πR) (B) μ0πI ／(2πR) (C) μ0I(1＋π)／(2πR) (D) μ0I(1＋π)／(4πR) 2、载有电流为I 的无限长导线，弯成如图形状，其中一段是半径为a 的半圆， 则圆心处的磁感应强度B 的大小为( D ) (A) μ0I ／(4a ) + μ0I ／(4πa ) (B))8/(2)4/()4/(a I a I a I o o o πμπμμ++ (C) ∞ (D))4/(2)4/()4/(a I a I a I o o o πμπμ μ+-3、如图，电流I 均匀地自下而上通过宽度为a 的 无限长导体薄平板，求薄平板所在平面上距板的一 边为d 的P 点的磁感应强度。 解：该薄板可以看成是由许多无限长的细直载流 导线组成的，每一条载流线的电流为dI =Idx /a ， 根据无限长直载流线磁场公式，它们在P 点产 生的磁感应强度的大小为 x dx a πI μx πdI μdB 2200= =，B d 的方向? ∴ d a d a πI μx dx a πI μdB B a d d a d d +== =??++ln 2200，B 的方向? P B 4、电流均匀地自下而上通过宽为2a 的无限长导体薄平板，电流为I ，通过板的中线并与板面垂直的平面上有一点P ，P 到板的垂直距离为x ，设板厚可略去不计，求P 点磁感应强度B 。 解：面电流线密度a I j 2/= 在离轴线y 处取一宽为dy 的窄条，其电流为 dy a I jdy dI 2==, 22y x r += P 点B d 的方向如图所示。 r πdI μdB 20= 2 2 0044y x dy a πI μr dy a πI μ+== 2 2 cos sin y x x r x φθ+== =，2 2 sin cos y x y r y φθ+== = 2204cos y x ydy a πI μθdB dB x += =，2 204sin y x xdy a πI μθdB dB y +== 04220=+==??--a a a a x x y x ydy a πI μdB B x a a πI μx y a πI μy x dy a πIx μdB B a a a a a a y y arctan 2arctan 4400220 ==+==---?? y y y x x e x a a πI μe B e B B ??? ??=+=arctan 20 5、求上题当a →∞，但维持a I j 2=(单位宽度上的电流，叫做电流线密度)为一常量时P 点的磁感应强度。 解：y y y a e j μe ππj μe x a a πI μB 2 2arctan 2lim 000==??? ??=∞→大学物理第8章稳恒磁场课后习题及答案
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