高中物理竞赛教程(超详细) 第三讲 电磁感应

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1、高中物理竞赛教程(超详细)第三讲电磁感应　　第三讲　　磁场§3.1基本磁现象　　由于自然界中有磁石()存在，人类很早以前就开始了对磁现象的研究。人们把磁石能吸引铁`钴`镍等物质的性质称为磁性。条形磁铁或磁针总是两端吸引铁屑的能力最强，我们把这吸引铁屑能力最强的区域称之为磁极。将一条形磁铁悬挂起来，则两极总是分别指向南北方向，指北的一端称北极(N表示)；指南的一端称南极(S表示)。磁极之间有相互作用力，同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引。磁针静止时沿南北方向取向说明地球是一个大磁体，它的N极位于地理南极附近，S极

2、位于地理北极附近。　　1820年，丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应。第一个揭示了磁与电存在着联系。长直通电导线能给磁针作用；通电长直螺线管与条形磁铁作用时就如同条形磁铁一般；两根平行通电直导线之间的相互作用......，所有这些都启发我们一个问题:磁铁和电流是否在本源上一致?1822年，法国科学家安培提出了组成磁铁的最小单元就是环形电流，这些分子环流定向排列，在宏观上就会显示出N、S极的分子环流假说。近代物理指出，正是电子的围绕原子核运动以及它本身的自旋运动形成了"分子电流"，这就是物质磁性的基本来源。　　一

3、切磁现象的根源是电流，以下我们只研究电流的磁现象。§3.2磁感应强度　　3．2．1、磁感应强度、毕奥萨伐尔定律　　将一个长L，I的电流元放在磁场中某一点，电流元受到的作用力为F。当电流元在某一方位时，这个力最大，这个最大的力和IL的比值，叫做该点的磁感应强度。将一个能自由转动的小磁针放在该点，小磁针静止时N极所指的方向，被规定为该点磁感应强度的方向。　　　　真空中，当产生磁场的载流回路确定后，那空间的磁场就确定了，空间各点的也就确定了。根据载流回路而求出空间各点的要运用一个称为毕奥-萨伐尔定律的实验定律。毕-萨

4、定律告诉我们：一个电流元IL(如图3-2-1)在相对电流元的位置矢量为的P点所产生的磁场的磁感强度大小为，为顺着电流IL的方向与方向的夹角，的方向可用右手螺旋法则确定，即伸出右手，先把四指放在IL的方向上，顺着小于的角转向方向时大拇指方向即为的方向。式中K为一常数，K=韦伯/安培米。载流回路是由许多个IL组成的，求出每个IL在P点的后矢量求和，就得到了整个载流回路在P点的。　　如果令，特斯拉米安，那么又可写为　　　　称为真空的磁导率。　　下面我们运用毕--萨定律，来求一个半径为R，载电流为I的圆电流轴线上，距圆

5、心O为的一点的磁感应强度　　在圆环上选一I，它在P点产生的磁感应强度，其方向垂直于I和所确定的平面，将分解到沿OP方向和垂直于OP方向，环上所有电流元在P点产生的的和为零，　　B=（线性一元叠加）　　　　在圆心处，，　　3．2．2、由毕--萨定律可以求出的几个载流回路产生的磁场的磁感应强度　　(1)无限长载流直导线　　为了形象直观地描述磁场，引进了与电感线相似的磁感线。　　长直通电导线周围的磁感线如图3-2-3所示。如果导线中通过的电流强度为I，在理论上和实验中都可证明，在真空中离导线距离为r处的磁感强度　　或

6、　　式中称为真空中的磁导率，大小为。　　(2)无限长圆柱体　　无限长载流直导线r为所求点到直导线的垂直距离。半径为R，均匀载有电流，其电流密度为j的无限长圆柱体　　当r＜R，即圆柱体内　　当r＞R，即圆柱体外　　(3)长直通电螺线管内磁场　　长直导电螺线管内磁场如图图3-2-4所示可认为是匀强磁场，场强大小可近似用无限长螺线管内B的大小表示　　　　n为螺线管单位长度的匝数　　(4)螺绕环的磁场与长直通电螺线管内磁场的磁场相同。　　3．2．3、磁感应线和磁通量　　为了形象地描绘磁场的分布，在磁场中引入磁感应线，亦

7、即磁力线。磁力线应满足以下两点：　　第一，磁感应线上任一点的切线方向为该点磁感应强度的方向；第二，通过垂直于的单位面积上的磁感应线的条数应等于该处磁感应强度的大小。　　图3-2-5的(a)和(b)分别给出了无限长载流导线和圆电流的磁场的磁力线。从图中可看到：磁力线是无头无尾的闭合线，与闭合电路互相套合。磁感线是一簇闭合曲线，而静电场的电感线是一簇不闭合的曲线(或者是从正电荷到负电荷，或者是从正电荷到无穷远处，从无穷远处到负电荷)。这是一个十分重要的区别，凡是感线为闭合曲线的场都不可能是保守场。　　磁感强度是一个

8、矢量，如果两个电流都对某处的磁场有贡献，就要用矢量合成的方法。如果有a、b两根长直通电导线垂直于纸面相距r放置，电流的大小，(图3-2-6)那么哪些位置的磁感强度为零呢？在a、b连线以外的位置上，两根导线上电流所产生的磁感强度和的方向都不在一直线上，不可能互相抵消；在a、b连线上，a左边或b右边的位置上，和的方向是相同的，也不可能互相抵消；因此只有在a、b中间的连线上，和才有可能互相抵