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《电磁波与电磁场》4-恒定磁场汇编
第4章 恒定磁场 磁场是由运动电荷或电流产生的。 运动电荷或载流导线在磁场中要受到磁场的作用力。 检验磁场是否存在的一种方法是改变载流导线在磁场中受力的情况。 永久磁铁的磁场本质是运动电荷(分子电流)产生磁场。 磁相互作用实质上是运动电荷之间的相互作用。 分析方法 4.1 磁感应强度 安培力定律——实验定律 安培力定律——实验定律 磁感应强度计算 磁通连续性定理 4.2 安培环路定律 磁场强度: 物质的磁化 磁介质中的安培环路定律 磁介质及其分类 4.3 恒定磁场的基本方程 2.微分形式的基本方程 3.分界面上的衔接条件 恒定磁场与静电场的对比 4.4 恒定 磁场位函数 3. 标量磁位与电位之异同 磁场中的镜像法 恒定磁场与静电场的对比 例1:长直导线周围的标量磁位分布 例2:传输线周围的标量磁位分布 4.4.4 矢量磁位1.矢量磁位的定义 2.矢量磁位的方程 矢量磁位的计算 例2: 双线输电线周围的电磁场分布 3.矢量磁位边值问题 场变量、参数 (通量)源 恒定磁场 方程 静电场 等标量磁位线是射线,标量磁位沿角度增加而减小; 磁力线是一族圆,H的方向总是由高磁位面指向低磁位面。 导线周围: 柱坐标 Фm 0 Фm -I/8 Фm -I/4 Фm -3I/8 Фm -I/2 Фm -5I/8 Фm -3I/4 Фm -7I/8 等标量磁位线是另一族圆 磁力线是一族正交圆 x y P b b r- r+ 微分方程 由于 矢量磁位单位wb/m 令 亥姆霍兹定理 唯一确定的 矢量场 设 为任意标量函数 指定 的值称为一种规范 库仑规范 微分方程 设媒质是均匀媒质 矢量磁位泊松方程 库仑规范 是矢量算子,但 是标量算子。 矢量磁位的方向就是场源的方向! 矢量磁位泊松方程 以y轴为参考面 等Az线 等 线 E 线 等 线 x y P b b r- r+ 平行平面场中 等Az线就是B 线 平行平面场中 恒定磁场分析 电感 电感的定义 在各向同性的线性媒质中,电流回路在空间产生的磁场与回路中的电流成正比。 因此,穿过回路的磁通量也与回路中的电流成正比。 在静磁场中,将穿过回路的磁通量与回路中的电流的比值,称为电感系数,简称电感。 电感分为自感和互感。 电感 C I ? 细回路 ?i C I ?o 粗回路 1. 磁通与磁链 单匝线圈形成的回路的磁链定义为穿过该回路的磁通量 多匝线圈形成的导线回路的磁链定义为所有线圈的磁通总和 恒定磁场分析 电感 粗导线构成的回路,磁链分为两部分:一部分是粗导线包围的、磁力线不穿过导体的外磁通量?o ;另一部分是磁力线穿过导体、只有粗导线的一部分包围的内磁通量?i。 C I ? 细回路 ?i C I ?o 粗回路 恒定磁场分析 电感 设回路 C 中的电流为I ,所产生的磁场与回路 C 交链的磁链为?,则磁链? 与回路 C 中的电流 I 有正比关系,其比值 称为回路 C 的自感系数,简称自感。 —— 外自感 2. 自感 —— 内自感; 粗导体回路的自感:L Li + Lo 恒定磁场分析 电感 2. 自感 自感只与回路的几何形状、尺寸以及周围的磁介质有关,与电流无关。 自感的特点: 计算电感的一般步骤: 假设回路中通有电流I; 求出磁感应强度 B 或矢量磁位 A ; 利用 ,计算磁通; 由磁通与电流的比值求出电感。 恒定磁场分析 解:先求内导体的内自感。设同轴线中的电流为I ,由安培环路定理 例:求同轴线单位长度的自感。设内导体半径为a,外导体厚度可忽略不计,其半径为b,空气填充。 得 恒定磁场分析 穿过沿轴线单位长度的矩形面积元dS d?的磁通为 与dΦi 交链的电流为 则与dΦi 相应的磁链为 因此内导体中总的内磁链为 恒定磁场分析 故单位长度的内自感为 再求内、外导体间的外自感。 则 故单位长度的外自感为 单位长度的总自感为 恒定磁场分析 例:计算平行双线传输线单位长度的自感。设导线的半径为a ,两导线的间距为D ,且D a。导线及周围媒质的磁导率为μ0 。 P I I 解:设两导线流过的电流为I 。由于D a,故可近似地认为导线中的电流是均匀分布的。应用安培环路定理和叠加原理,可得到两导线之间的平面上任一点P 的磁感应强度为 恒定磁场分析 穿过两导线之间沿轴线方向为单位长度的面积的外磁链为 于是得到平行双线传输线单位长度的外自感 两根导线单位长度的内自感为 故得到平行双线传输线单位长度的自感为 P I I 恒定磁场分析 电感 对两个彼此邻近的闭合回路C1 和回路 C2 ,当回路 C1 中通过电流 I1 时,不仅与回路 C1 交链的磁链与I1 成正比,而且与回路 C2 交链的磁链?1
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