电磁学(16)

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电磁学(16)

2024-07-14 11:01| 来源: 网络整理| 查看: 265

至此,我们已经把恒磁场的相关内容给讲完了。在这一部分,我们主要介绍了磁场的相关知识,特别是介绍了Biot-Savart定律和Ampere定律的一些计算;同时我们还介绍了Ampere力和Lorenz力。

这一节就对这些内容做一个总结并讲解一些例题。

一、Biot-Savart定律

在这一章磁学的学习中,我们了解了磁场的一些性质,知道了磁场是一个无源有旋场,学习了Biot-Savart定律和Ampere定律,以及可以用Biot-Savart定律计算一些情况下的磁感应强度,下面直接介绍一些常用电流的磁感应强度的计算公式

1、一段无限长的载流直导线

r为所求位置与导线的垂直距离。

2、一段长为L载流直导线

其中θ1和θ2是输入输出端的矢径和垂线的夹角。

3、半径为R载流圆导线

x表示圆心到轴线上场点的距离。

下面根据这些公式计算一些情况下的磁感应强度。

例题1:如图16-1所示,电流均匀地流过宽为2a的无限长平面导体薄板,电流大小为I,通过板的中线并于板面垂直的平面上有一点P,P到板的垂直距离为x,板厚忽略不计,求P点的磁感应强度B。 

图16-1

分析:我们并没有导体板对某一点的磁场的公式,但是有着长直导线对某一点磁场的公式,那么我们讲板沿垂直电流方向(记为y)进行微分,那么每一个微元利用长直导线的公式,得到一个磁感应强度Bp,利用对称性可以判断出总磁场的方向在y方向,那么对每个微元进行标量积分可得总磁场的大小。

解:

元电流在P点磁感应强度沿y方向的投影

即得到P点的磁感应强度。

例题2:半径为R的圆面上均匀分布着电荷,面密度为σ,当圆面以角速度ω绕它的轴旋转时,求轴线上距圆片中心为x处的磁感应强度分布。

分析:我们没有学过运动电荷产生的磁场怎么计算,但是我们会计算一个圆电流产生的磁场,而绕轴运动的电荷不正对应着一个圆电流,所以我们取半径为r宽度为dr的圆环作为微元,计算出一个微元产生的磁感应强度,总磁场只要对微元进行积分即可,那么同样由对称性可知,该积分是标量积分,很容易计算出来。

解:微圆环的电量

电流元

电流元产生的磁场

那么总磁场B只要对dB积分即可,结果为

解毕。

二、粒子在磁场中的运动

我们知道运动带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力,那么通过分析力我们可以知道粒子的运动状态,这是比较直接的一个过程,其实反过来依然成立,我们从粒子的运动状态可以得到粒子所在磁场的分布,下面选取一个例题让大家感受一下。

例题3:如图16-2所示,水平方向运动为v,宽度为H的电子流经过一未知匀强磁场,并且都穿过O电之后宽度变为2H,方向不变,求所加磁场的磁感应强度和范围。

图16-2

分析:那么由于所加磁场为匀强磁场,上下的情况完全一样,左右也是相似的,因此只要解决一个象限内的磁场大小和范围即可。我们针对第二象限进行分析。

解:由于洛伦兹力不改变速度的大小,从O点出射的粒子速度为v,当粒子以垂直于x轴的方向出射时,电子的偏转范围最大,对应着磁场的上边界,也对应着粒子流的上边界,在粒子偏转为水平方向后,距x 轴应为H,即运动半径R=H,再根据

得到

此时可以顺便写出上边界的方程为

那么下边界应该在什么位置呢,我们限定磁场的范围是为了让粒子可以水平射出,对每一个在O点以θ角出射的粒子,磁场的终点就是粒子速度变为水平方向的点,而磁场的下边界便是由这些终点连起来的一条线。

我们对一个粒子进行分析,记粒子速度水平时的点为(x,y),那么根据几何关系可知

由于磁感应强度相同,R=H,同时消去θ可得

这就是粒子的水平点所满足的方程,同时也是磁场的下边界,那么图16-3中的阴影部分就是第二象限中磁场的范围,一三象限的高度为二四象限的一半,这样,磁场的强度和范围都求了出来。

图16-3

这个题就是换个角度去考虑带电粒子在磁场中运动的形式。

这一节的内容到这里就结束了,下一节开始介绍电磁感应定律的相关内容,首先就



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