《大學(xué)物理磁學(xué)》課件

大學(xué)物理磁學(xué)本課程將帶您深入了解磁學(xué)領(lǐng)域，從基礎(chǔ)知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用，涵蓋磁場(chǎng)、磁力、磁性材料等關(guān)鍵概念。磁性的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用指南針最早的磁性應(yīng)用之一，利用磁鐵的指向性指引方向。磁鐵磁鐵的磁性用于吸附金屬，例如冰箱磁貼。電動(dòng)機(jī)利用磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器。磁場(chǎng)的基本概念磁場(chǎng)是一種無形的力場(chǎng)，它是由運(yùn)動(dòng)的電荷或電流產(chǎn)生的。磁場(chǎng)可以用磁力線來表示，磁力線是閉合曲線，指向磁場(chǎng)力的方向。磁力線越密集的地方，磁場(chǎng)越強(qiáng)。磁場(chǎng)可以用磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)和磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)來描述，磁場(chǎng)強(qiáng)度是由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，而磁感應(yīng)強(qiáng)度則是磁場(chǎng)對(duì)磁性物質(zhì)的作用力。磁場(chǎng)強(qiáng)度的定義定義磁場(chǎng)強(qiáng)度是指在某一點(diǎn)上放置一個(gè)單位磁偶極子所受到的力矩。符號(hào)H單位安培/米(A/m)公式H=F/(m*sinθ)意義磁場(chǎng)強(qiáng)度反映了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱程度。磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義1磁力線用來描述磁場(chǎng)方向和強(qiáng)弱的一種工具。2磁感應(yīng)強(qiáng)度表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱程度的物理量。3單位特斯拉（T）安培環(huán)路定理1磁場(chǎng)線積分定理表明，閉合路徑上磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分等于該路徑包圍的電流代數(shù)和的μ0倍。2應(yīng)用范圍適用于計(jì)算對(duì)稱性良好的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如直線電流、圓形電流和螺線管等。3物理意義反映了磁場(chǎng)與電流之間的密切聯(lián)系，是電磁理論的重要基礎(chǔ)。磁通量和磁通量密度磁通量磁通量是穿過一個(gè)曲面的磁力線的數(shù)量，是一個(gè)標(biāo)量。磁通量密度磁通量密度是指單位面積上的磁通量，是一個(gè)矢量，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。應(yīng)用磁通量和磁通量密度是磁學(xué)中的重要概念，廣泛應(yīng)用于電磁場(chǎng)理論和工程實(shí)踐中。磁性材料的分類鐵磁性材料鐵磁性材料具有很強(qiáng)的磁性，例如鐵、鈷、鎳等。它們?cè)诖艌?chǎng)中會(huì)被強(qiáng)烈磁化，并保持較高的磁性。順磁性材料順磁性材料在磁場(chǎng)中會(huì)被弱磁化，但當(dāng)磁場(chǎng)消失后，磁性也會(huì)隨之消失，例如鋁、鉑、氧氣等。反磁性材料反磁性材料在磁場(chǎng)中會(huì)被弱磁化，但磁化方向與磁場(chǎng)方向相反，例如水、銅、金等。順磁性材料的性質(zhì)弱磁性順磁性材料在沒有外磁場(chǎng)的情況下，其磁矩是隨機(jī)排列的，磁化率很小，幾乎不顯示磁性。受磁場(chǎng)影響當(dāng)在外磁場(chǎng)作用下，其磁矩會(huì)沿磁場(chǎng)方向排列，從而表現(xiàn)出微弱的磁性，但當(dāng)磁場(chǎng)消失后，磁性也會(huì)消失。應(yīng)用場(chǎng)景順磁性材料主要用作一些特殊的磁性器件，如核磁共振成像儀等。反磁性材料的性質(zhì)弱磁性反磁性材料在磁場(chǎng)中被弱排斥。溫度依賴性反磁性隨溫度降低而增強(qiáng)。超導(dǎo)體某些材料在低溫下具有完全的反磁性，成為超導(dǎo)體。鐵磁性材料的性質(zhì)強(qiáng)磁性鐵磁性材料在磁場(chǎng)作用下可以被強(qiáng)烈磁化，并具有很高的磁導(dǎo)率，表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。磁滯現(xiàn)象磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間存在滯后關(guān)系，即磁化過程和退磁過程并不完全重合，形成磁滯回線。居里點(diǎn)鐵磁性材料在高于居里點(diǎn)溫度時(shí)，磁性會(huì)消失，轉(zhuǎn)變成順磁性材料。磁疇結(jié)構(gòu)鐵磁性材料內(nèi)部是由多個(gè)磁疇組成，每個(gè)磁疇內(nèi)部的磁矩都沿一個(gè)方向排列，但不同磁疇的磁矩方向可能不同。磁滯回線的概念磁滯回線描述了鐵磁性材料的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)之間的關(guān)系。當(dāng)外磁場(chǎng)增加時(shí)，磁化強(qiáng)度也會(huì)增加，但當(dāng)外磁場(chǎng)減小時(shí)，磁化強(qiáng)度不會(huì)完全回到初始狀態(tài)，而是滯后于外磁場(chǎng)變化，形成一個(gè)閉合的曲線，稱為磁滯回線。磁性材料的工程應(yīng)用電子設(shè)備磁性材料在電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器、揚(yáng)聲器和傳感器。醫(yī)療設(shè)備磁性材料在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，例如磁共振成像(MRI)和磁性藥物。能源行業(yè)磁性材料在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器等能源設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。電動(dòng)機(jī)的原理1磁場(chǎng)電機(jī)利用磁場(chǎng)來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。2電流電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)。3相互作用磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)的原理1電磁感應(yīng)利用磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電流2轉(zhuǎn)動(dòng)線圈線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)3感應(yīng)電流產(chǎn)生交變電流變壓器的原理電磁感應(yīng)變壓器利用電磁感應(yīng)原理工作。當(dāng)交流電通過線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，并誘導(dǎo)另一線圈產(chǎn)生電流。電壓變化通過改變線圈的匝數(shù)比，變壓器可以升高或降低交流電壓。功率守恒理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，但實(shí)際變壓器會(huì)因損耗而導(dǎo)致輸出功率略小于輸入功率。電磁波的產(chǎn)生與傳播1振蕩電場(chǎng)2振蕩磁場(chǎng)3相互垂直4相互誘導(dǎo)電磁波是由振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直并相互誘導(dǎo)產(chǎn)生的，它們以光速在空間傳播。電磁波的頻率和波長(zhǎng)決定了它的能量和類型。例如，無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線都是電磁波的不同類型。電磁波的頻譜分類無線電波頻率范圍從3kHz到300GHz，用于無線通信、廣播、雷達(dá)等。微波頻率范圍從300MHz到300GHz，用于微波爐、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等。紅外線頻率范圍從300GHz到400THz，用于熱成像、遙感、光纖通信等?？梢姽忸l率范圍從400THz到790THz，是人眼可以感知的電磁波，用于照明、攝影等。電磁波的應(yīng)用通信手機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等都利用電磁波進(jìn)行信息傳輸。醫(yī)療X射線、CT、核磁共振等醫(yī)療設(shè)備使用電磁波進(jìn)行診斷和治療。生活微波爐、遙控器、無線充電等技術(shù)也利用電磁波工作。電磁感應(yīng)定律法拉第定律變化的磁場(chǎng)能夠在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，這個(gè)現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)。楞次定律感應(yīng)電流的方向總是阻礙產(chǎn)生它的磁通變化。法拉第電磁感應(yīng)定律1變化磁通量當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率成正比3楞次定律感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起它的磁通量的變化電磁感應(yīng)的應(yīng)用發(fā)電機(jī)電磁感應(yīng)是發(fā)電機(jī)的核心原理。利用磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電流，為社會(huì)提供電力。變壓器變壓器利用電磁感應(yīng)改變電壓，將高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電，或?qū)⒌蛪弘娹D(zhuǎn)換為高壓電。傳感器電磁感應(yīng)原理應(yīng)用于各種傳感器，例如，磁場(chǎng)傳感器可用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向。自感和互感的概念1自感當(dāng)電流在電路中變化時(shí)，電流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，從而在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做自感。2互感當(dāng)一個(gè)電路中的電流發(fā)生變化時(shí)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)影響到另一個(gè)電路，并在另一個(gè)電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做互感。電磁能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換電磁能存儲(chǔ)電磁能可以通過電容器和電感器存儲(chǔ)。電磁能轉(zhuǎn)換電磁能可以通過各種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如電能轉(zhuǎn)化為磁能，磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等。能量守恒電磁能轉(zhuǎn)換遵循能量守恒定律，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失。電磁屏蔽的原理電磁屏蔽是利用導(dǎo)體或磁性材料阻擋電磁波傳播的現(xiàn)象。利用導(dǎo)體或磁性材料制成的屏蔽體，可以使電磁波在穿過屏蔽體時(shí)發(fā)生反射和吸收，從而減小電磁波的強(qiáng)度，達(dá)到屏蔽電磁波的目的。常用的電磁屏蔽材料包括金屬材料、金屬網(wǎng)、磁性材料等。其中金屬材料的屏蔽效果較好，但金屬材料的重量較大，在一些應(yīng)用場(chǎng)合難以使用。磁性材料的屏蔽效果不如金屬材料，但磁性材料的重量較輕，在一些應(yīng)用場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)。電磁兼容性的概念電磁兼容性(EMC)指的是設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作且不影響其他設(shè)備正常工作的能力。設(shè)備之間的相互干擾是EMC的關(guān)鍵問題，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降，甚至無法正常工作。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和各國(guó)政府制定了EMC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電子產(chǎn)品的電磁輻射和抗干擾能力進(jìn)行規(guī)范。前沿磁性材料和技術(shù)納米磁性材料納米磁性材料具有高磁化強(qiáng)度、低矯頑力、高磁致伸縮系數(shù)等優(yōu)異性能，在高密度磁記錄、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。磁性液體磁性液體是由磁性納米顆粒分散在載液中形成的穩(wěn)定懸浮液，具有可控的流動(dòng)性和磁響應(yīng)性，在密封、減震、傳熱等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。超導(dǎo)磁體超導(dǎo)磁體具有高磁場(chǎng)強(qiáng)度、低能耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在核磁共振成像、高能物理、磁懸浮列車等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。磁學(xué)實(shí)驗(yàn)演示通過直觀的實(shí)驗(yàn)演示，幫助學(xué)生理解磁學(xué)基本概念和規(guī)律，例如磁場(chǎng)、磁力、磁性材料等。例如，用磁鐵吸引鐵屑，展示磁場(chǎng)的形狀；用磁鐵懸掛指南針，演示地磁場(chǎng)的效應(yīng)；用磁鐵演示磁極間的相互作用力。