稳恒磁场磁介质.ppt

,第十一章,稳 恒 磁 场,静电荷,运动电荷,稳恒电流,一、电流 电流密度,11-1 电流 稳恒电场 电动势,电流 大量电荷有规则的定向运动形成电流。,方向：规定为正电荷运动方向。,电流强度只能从整体上反映导体内电流的大小。当遇到电流在粗细不均匀的导线或大块导体中流动的情况时，导体的不同部分电流的大小和方向都可能不一样。有必要引入电流密度矢量。,电流强度 单位时间内通过某截面的电量。,导体中某点的电流密度，数值上等于通过该点且垂直场强方向的单位截面积的电流强度。方向：该点场强的方向。,当通过任一截面的电量不均匀时，用电流强度来描述就不够用了，有必要引入一个描述空间不同点电流的大小的物理量。,电流密度,电流密度和电流强度的关系,穿过某截面的电流强度等于电流密度矢量穿过该截面的通量。,电流强度是电流密度的通量。,二、稳恒电场,电流的连续性方程,稳恒电流：导体内各处的电流密度都不随时间变化,对稳恒电流有：,在稳恒电流情况下，导体内电荷的分布不随时间改变。不随时间改变的电荷分布产生不随时间改变的电场，这种电场称稳恒电场。,根据电荷守恒，在有电流分布的空间做一闭合曲面，单位时间内穿入、穿出该曲面的电量等于曲面内电量变化率的负值。,三、电动势,非静电力：能把正电荷从电势较低点（如电源负极板）送到电势较高点（如电源正极板）的作用力称为非静电力，记作Fk。,提供非静电力的装置就是电源。,静电力欲使正电荷从高电位到低电位。,非静电力欲使正电荷从低电位到高电位。,非静电场强,方向：自负极经电源内部到正极的方向为正方向。,电源外部Ek为零，,电动势：把单位正电荷从负极经电源内部移到正极时，电源中非静电力所做的功。,电动势：单位正电荷绕闭合回路一周时，电源中非静电力所做的功。,电动势描述电路中非静电力做功本领电势差描述电路中静电力做功本领,一、基本磁现象,电流的磁效应,天然磁石,11-2 磁场 磁感应强度,奥斯特(Hans Christian Oersted,17771851年)丹麦物理学家、化学家。1777年8月14日生于丹麦 一个贫苦的药剂师家庭，12岁开始帮助父亲在药房里干活，同时坚持学习化学由于刻苦攻读，17岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生他一边当家庭教师，一边在学校学习药物学，同时对天文、物理、数学、化学、哲学和文学极有兴趣，1797年取得药剂师称号，并由于他写的美学和医学方面的论文获得金质奖章。1799年，他由于一篇关于康德哲学的论文被授予博士学位。18011803年他旅游德国、法国等地，于1804年回国。1806年被聘为哥本哈根大学物理、化学教授，研究电流和声等课题。1821年被选为英国皇家学会会员，1823年被选为法国科学院院士，后来任丹麦皇家科学协会会长1824年倡仪成立丹麦自然科学促进会，1829年出任哥本哈根大学理工学院院长，直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。终年74岁。,自从库仑提出电和磁有本质上的区别以来，很少有人再会去考虑它们之间的联系。奥斯特受康德哲学思想的影响，认为各种自然力是统一的富兰克林发现莱顿瓶放电使钢针磁化的现象，对奥斯特启发很大，寻找这两大自然力之间联系的思想，经常盘绕在他的头脑中 1819年下半年到1820年上半年，奥斯特一面担任电、磁学讲座的主讲，一面继续研究电、磁关系。1820年4月的一天晚上，奥斯特在课堂上做电流磁效应的实验，他把导线垂直地放在磁针之上，没有看到明显的运动。在讲演结束后，他把导线与磁针平行放置，发现了磁针偏转，然后他改变电流方向，发现磁针朝相反方向偏转。他紧紧抓住这一现象，连续进行了3个月的实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为关于磁针上的电流碰撞的实验的论文这篇仅用了4页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和60多个实验的结果。,奥斯特的其他成就:奥斯特曾经对化学亲合力等作了研究。1822年他精密地测定了水的压缩系数值，论证了水的可压缩性。1823年他还对温差电作出了成功的研究。他对库仑扭秤也作了一些重要的改进。奥斯特在1825年最早提炼出铝，但纯度不高，以致这项成就在冶金史上归属于德国化学家F.维勒(1827)。他最后一项研究是40年代末期对抗磁体的研究，试图用反极性的反感应效应来解释物质的抗磁性。同一时期法拉第证明不存在所谓的反磁极。并用磁导率和磁力线的概念统一解释了磁性和抗磁性。,奥斯特发现电流磁效应之前,为何众多物理学家都想不到,将磁针与通电导线平行放置?,磁现象：1、天然磁体周围有磁场；2、通电导线周围有磁场；3、电子束周围有磁场。,表现为：使小磁针偏转,表现为：相互吸引排斥偏转等,4、通电线能使小磁针偏转；5、磁体的磁场能给通电线以力的作用；6、通电导线之间有力的作用；7、磁体的磁场能给通电线圈以力矩作用；8、通电线圈之间有力的作用；9、天然磁体能使电子束偏转。,安培指出：,天然磁性的产生也是由于磁体内部有电流流动。,分子电流,电荷的运动是一切磁现象的根源。,二、磁感应强度,电流（或磁铁）,磁场,电流（或磁铁）,磁场对外的重要表现为：,1、磁场对进入场中的运动电荷或载流导体有磁力作用,2、载流导体在磁场中移动时，磁力将对载流导体作功，表明磁场具有能量。,对线圈有：,当实验线圈从平衡位置转过900时，线圈所受磁力矩为最大。,引入磁感应强度矢量,磁场中某点处磁感应强度的方向与该点处实验线圈在稳定平衡位置时的正法线方向相同；磁感应强度的量值等于具有单位磁矩的实验线圈所受到的最大磁力矩。,磁感应强度定义一,方向：切线,大小：,三、磁通量 磁场中的高斯定理,方向:小磁针在该点的N极指向,单位:T(特斯拉),(高斯),大小:,磁感应强度定义二,直线电流的磁力线,圆电流的磁力线,通电螺线管的磁力线,1、每一条磁力线都是环绕电流的闭合曲线，都与闭合电路互相套合，因此磁场是涡旋场。磁力线是无头无尾的闭合回线。,2、任意两条磁力线在空间不相交。,3、磁力线的环绕方向与电流方向之间可以分别用右手定则表示。,2、磁通量m穿过磁场中任一曲面的磁力线的条数,四、磁场中的高斯定理,穿过任意闭合曲面的磁通量为零,磁场是无源场,课堂练习,11-3 毕奥-沙伐尔定律,奥斯特的实验使整个科学界大为震惊，人们长期以来所信奉的“电和磁之间没有内在联系”的信条崩溃了。1820年8月，法国物理学家阿拉果在瑞士听到了奥斯特的发现，敏锐地感到其重要性。回到巴黎后，他在9月11日法国科学院的会议上报告了奥斯特的新发现，在法国引起巨大反响。,最先对电流磁效应进行定量分析的是法国物理学家毕奥（1774-1862）和萨伐尔（1791-1841）。毕奥曾任法兰西学院物理学教授，兴趣广泛，对光学尤有研究，还写了许多数学著作。萨伐尔早年行医，1819年他给毕奥呈送一篇论文，毕奥对这人发生了兴趣，并给予了鼓励，1828年萨伐尔就担任了法兰西学院实验物理教授。,1820年10月20日，毕奥在法国科学院的会议上宣读了他们的论文运动的电传递给金属的磁化力，他们发现：直线电流对磁极的作用正比于电流强度，反比于它们之间的距离，作用的方向垂直于磁极到到导线的垂线。,法国数学家、物理学家拉普拉斯（17491827）遵循“将一切物理现象简化为粒子间的引力或斥力现象”的原则，根据毕萨由实验得出的长直导线公式，从数学上推导出每个电流元 施加在磁极上的作用力的规律。用现代形式表示为：,毕、萨后来用实验验证了该公式，这就是毕萨定律。,1、稳恒电流的磁场,电流元,对一段载流导线,方向判断：的方向垂直于电流元 与 组成的平面，和 及 三矢量满足矢量叉乘关系。右手定则,比奥-萨伐尔定律,一、毕奥-沙伐尔定律,2、运动电荷的磁场,电流,电荷定向运动,电流元,载流子总数,其中,运动电荷产生的磁场,二、毕奥-沙伐尔定律的应用,1.载流直导线的磁场,已知：真空中I、1、2、a,建立坐标系OXY,任取电流元,统一积分变量,a,无限长载流直导线,半无限长载流直导线,直导线延长线上,2.圆型电流轴线上的磁场,已知:R、I，求轴线上P点的磁感应强度。,建立坐标系OXY,任取电流元,分析对称性、写出分量式,大小,方向,统一积分变量,3、载流直螺线管内部的磁场,讨论：,练习,例1、无限长载流直导线弯成如图形状,求：P、R、S、T四点的,解：P点,方向,R点,方向,S点,方向,方向,T点,方向,方向,方向,方向,例2、两平行载流直导线,过图中矩形的磁通量,解：I1、I2在A点的磁场,l,如图取微元,例3、氢原子中电子绕核作圆周运动,解:,又,方向,方向,例4、均匀带电圆环,求圆心处的,解：,带电体转动，形成运流电流。,例5、均匀带电圆盘,解：,如图取半径为r,宽为dr的环带。,元电流,其中,线圈磁矩,如图取微元,方向：,一、安培环路定理,静电场,1、圆形积分回路,11-4 磁场的安培环路定理,磁 场,改变电流方向,2、任意积分回路,3、回路不环绕电流,安培环路定理,说明：电流与环路成右旋关系时为正,如图,在真空中的稳恒电流磁场中，磁感应强度 沿任意闭合曲线的线积分（也称 的环流），等于穿过该闭合曲线的所有电流强度（即穿过以闭合曲线为边界的任意曲面的电流强度）的代数和的 倍。即：,环路所包围的电流,不变,不变,改变,磁场是非保守场（无势场），有旋场,电场是保守场(有势场),无旋场,电力线起于正电荷、止于负电荷。静电场是有源场,磁力线闭合、无自由磁荷磁场是无源场,二、安培环路定理的应用,当场源分布具有高度对称性时，利用安培环路定理计算磁感应强度,1.无限长载流圆柱导体的磁场分布,分析对称性,电流分布轴对称,磁场分布轴对称,已知：I、R电流沿轴向，在截面上均匀分布,的方向判断如下：,作积分环路并计算环流,如图,利用安培环路定理求,作积分环路并计算环流,如图,利用安培环路定理求,结论：无限长载流圆柱导体。已知：I、R,讨论：长直载流圆柱面。已知：I、R,练习：同轴的两筒状导线通有等值反向的电流I,求 的分布。,电场、磁场中典型结论的比较,已知：I、n(单位长度导线匝数),分析对称性,管内磁力线平行于管轴,管外靠近管壁处磁场为零,2.长直载流螺线管的磁场分布,计算环流,利用安培环路定理求,已知：I、N、R1、R2 N导线总匝数,分析对称性,磁力线分布如图,作积分回路如图,方向,3.环形载流螺线管的磁场分布,计算环流,利用安培环路定理求,已知：导线中电流强度 I 单位长度导线数n,分析对称性,磁力线如图,作积分回路如图,ab、cd与导体板等距,无限长载流导线平行排列构成的无限大薄板的磁场分布,计算环流,板上下两侧为均匀磁场,利用安培环路定理求,讨论：如图，两块无限大载流导体薄板平行放置。通有相反方向的电流。求磁场分布。,已知：导线中电流强度 I、单位长度导线匝数n,练习：如图，螺绕环截面为矩形,外半径与内半径之比,高,导线总匝数,求：,1.磁感应强度的分布,2.通过截面的磁通量,解：,1.,当磁场分布无对称性时，安培环路定理仍然正确，只是不能用来求解磁感应强，此时应该用毕奥-沙伐尔定律和叠加原理求解。,11-6 磁场对载流导线的作用,一、安培定律,安培力：电流元在磁场中受到的磁力,安培定律,方向判断：右手螺旋定则,载流导线受到的磁力,大小,安培(Andre-Marie Ampere,1775-1836),Ampere法国物理学家，对数学和化学也有贡献。1775年1月22日生于里昂一个富商家庭。年少时就显出数学天赋,12岁学习了微积分，13岁发表关于螺旋线的论文18岁时，除了拉丁语，还通晓意大利语和希腊语他不仅钻研数学，还研究物理学和化学在化学方面，他最先预见了氯、氟、碘三种物质是元素，还独立地发现了“阿伏伽德罗定律”。1809年Ampere任巴黎工业大学数学教授，1814年被选为法国科学院院士，1824年担任法兰西学院实验物理学教授，1827年被选为英国皇家学会会员。他还是柏林科学院和斯德哥尔摩科学院院士。,安培最主要的成就是18201827年对电磁作用的研究，主要研究成果：发现了安培（右手）定则；发现电流的相互作用规律；发明了电流计；提出分子电流假说；总结了电流元之间的作用规律安培定律；安培环路定理。,安培将他的研究综合在电动力学现象的数学理论一书中，成为电磁学史上一部重要的经典论著。1827年他首先推导出了电动力学的基本公式，建立了电动力学的基本理论，成为电动力学的创始人。麦克斯韦把安培誉为“电学中的牛顿”。,Ampere在科学上极其敏锐，善于接受新成果。作为一个数学家他对奥斯特的新发现作出了异乎寻常的反应，立即转向了电学研究。于1820年9月18日、9月25日、10月9日 向法国科学院连续提交了三篇论文，报告了他关于平行载流导线之间相互作用的研究，包括了电流方向和磁针偏转方向关系的右手定则；同向直线电流间互相吸引，异向直线电流间互相排斥；通电螺线管的磁性与磁针等效，等等随后，他通过四个精巧实验和高超数学技巧相结合得出了两个电流元之间相互作用的公式，这就是著名的安培定律,讨 论,图示为相互垂直的两个电流元,它们之间的相互作用力,取电流元,受力大小,方向,积分,结论,方向,均匀磁场中载流直导线所受安培力,导线1、2单位长度上所受的磁力为：,二、无限长两平行载流直导线间的相互作用力,电流单位“安培”的定义：,真空中载有等量电流，相距1米的两根平行无限长直导线，当每一导线每米长度上受力为210-7牛顿时，各导线中的电流强度为1安培。,例、均匀磁场中任意形状导线所受的作用力,受力大小,方向如图所示,建坐标系取分量,积分,取电流元,推论在均匀磁场中任意形状闭合载流线圈受合力为零,练习 如图 求半圆导线所受安培力,方向竖直向上,解：,例：求一无限长直载流导线的磁场对另一直载流 导线ab的作用力。已知：I1、I2、d、L,三、磁场对载流线圈的作用,如果线圈为N匝,讨论,（1）,上式是从矩形载流线圈导出的，但可以证明它对匀强磁场中任意形状的平面载流线圈同样适用。,（2）,（3）,总结：1、处在匀强磁场中的刚性载流线圈受磁力矩作用而转动，使其磁矩与外磁场方向一致而达到稳定平衡。2、在非匀强磁场中，线圈所受的合力和合力矩都不为零。线圈的运动除了绕质心的转动外，还有质心的平动。定性地说，线圈在非匀强磁场中所受的磁力和磁力矩，总是力图使线圈磁矩转向磁场的方向，并最终向强磁场处移动，这正是磁铁吸引铁的原因。,四、磁力的功,1.载流导线在磁场中运动时磁力所做的功,2.载流线圈在磁场中转动时磁力矩所做的功,负号表示 时磁力矩做负功;当 时磁力矩做正功,也要加负号才有,磁力矩总是力图使磁矩与磁感应强度同向.,可以证明,对任意闭合回路均有:,此功等于磁矩与磁场相互作用能的增量,若以时相互作用能为零,则当磁矩与磁场方向间夹角为 时,磁矩与磁场的相互作用能为:,磁矩与磁场平行时,相互作用能最小;磁矩与磁场反向时,相互作用能最大.,外力作功:,例：一半径为R的半圆形闭合线圈，通有电流I，线圈放在均匀外磁场B中，B的方向与线圈平面成300角，如右图，设线圈有N匝，问：,（1）线圈的磁矩是多少？（2）此时线圈所受力矩的大小和方向？（3）图示位置转至平衡位置时，磁力矩作功是多少？,解：（1）线圈的磁矩,pm的方向与B成600夹角,可见，磁力矩作正功,磁力矩的方向由 确定，为垂直于B的方向向上。即从上往下俯视，线圈逆时针转,（2）此时线圈所受力矩的大小为,（3）线圈旋转时，磁力矩作功为,11-5 磁场对运动电荷的作用,一、洛仑兹力,运动电荷在磁场中所受的磁场力,安培力的微观解释:导体中作定向运动的电子受洛仑兹力作用的宏观表现.,大小,力与速度方向垂直。不能改变速度大小，只能改变速度方向。,粒子在同时存在电场和磁场的空间运动时，其受的合力：,洛仑兹关系式,二、带电粒子在磁场中的运动,粒子做直线运动,粒子做匀速圆周运动,螺距 h：,三、霍耳效应 1879年霍耳(美,18551938)发现,RH-霍耳系数,霍耳效应原理 带电粒子在磁场中运动受到洛仑兹力,q0,此时载流子将作匀速直线运动，同时 两侧停止电荷的继续堆积，从而在 两侧建立一个稳定的电势差,q0,(2)q0时，RH0,霍耳效应的应用,磁流体发电,在导电流体中同样会产生霍耳效应,使高温等离子体（导电流体）以1000ms-1的高速进入发电通道（发电通道上下两面有磁极），由于洛仑兹力作用，结果在发电通道两侧的电极上产生电势差。不断提供高温高速的等离子体，便能在电极上连续输出电能。,1979年，德国克利青（Klaus von Klitzing,1943-)发现，在极低温和强磁场下，宏观霍尔电压和电阻（霍尔电压与电流之比）呈现量子化变化。即,量子霍尔效应（quantum Hall effect),1980年，von Klitzing 撰文“利用量子化霍尔电阻高准确决定精细结构常数的新方法”（New Method for Hing-accuracy Determination of the Fine-structure Constant Based on quantized Hall Resistance),引起一连串重大物理发现而获得1985年的诺贝尔物理奖。,1982年，美国普林斯顿大学的崔琦(Daniel C.Tsui)和哥伦比亚大学的史特莫(Horst L.Stormer)在二维电子系统中发现分数量子霍尔效应。,一年后，美国史丹佛大学的劳夫林（Rorbert B.Laughlin)对此做出了解释。崔琦(Daniel C.Tsui)、史特莫(Horst L.Stormer)和劳夫林（Rorbert B.Laughlin)三人因发现了一种新形态的量子流体，其中带有分数电荷的激发态，有助于理解物质的内部基础结构和动力，而分享了1998年的诺贝尔物理学奖。,一、磁介质的分类,12-1 磁介质,磁介质能与磁场产生相互作用的物质,磁化磁介质在磁场作用下所发生的变化,（1）顺磁质,（3）铁磁质,（2）抗磁质,（4）超导体,根据 的大小和方向可将磁介质分为四大类,附加磁场,磁导率描述不同磁介质磁化后对原外磁场的影响,二.顺磁质与抗磁质的磁化,分子磁矩,电子绕核的轨道运动,电子本身自旋,1、顺磁质及其磁化,分子的固有磁矩不为零,无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。,有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。,分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。,2、抗磁质及其磁化,分子的固有磁矩为零,在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩,电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。,抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。,定义:磁化强度,*三、磁化强度,Is磁化电流,js沿轴线单位长度上的磁化电流（磁化面电流密度）,磁化强度M在量值上等于磁介质表面磁化电流面密度。,取如图所示的积分环路abcda:,磁化强度对闭合回路L的线积分，等于穿过以L为周界的任意曲面的磁化电流的代数和。,磁化强度与磁化电流的关系,一、磁介质中的高斯定理,传导电流和磁化电流产生的磁感应线都是无头无尾的闭合曲线，所以对任意闭合曲面S有,在有介质存在的情况下，磁场中的高斯定理表示为：,12-2 磁介质中的磁场 磁场强度,二、磁介质中的安培环路定理,磁介质中，环路定理应表述为：,以无限长直通电螺线管为例，设管内介质相对磁导率，且为顺磁质，传导电流I0，单位长度有n匝，圆柱形磁介质表面每单位长度的磁化电流为nIs,取图示矩形回路，令ab为单位长度，则有：,在稳恒磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分（即磁场强度的环流）等于环路所包围的传导电流的代数和，而与磁化电流无关。磁介质中的安培环路定理,三、磁场强度、磁感应强度的关系,介质的磁导率,电介质中的高斯定理,磁介质中的安培环路定理,例1 一环形螺线管，管内充满磁导率为，相对磁导率为r的顺磁质。环的横截面半径远小于环的半径。单位长度上的导线匝数为n。求：环内的磁场强度和磁感应强度,解：,例2 一无限长载流圆柱体，通有电流I，设电流 I 均匀分布在整个横截面上。柱体的磁导率为，柱外为真空。求：柱内外各区域的磁场强度和磁感应强度。,解：,在分界面上H 连续,B 不连续,测量磁化曲线、磁滞回线的实验装置,12-3 铁磁质,1、磁化曲线,磁强计测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由 得出 曲线,铁磁质的 不一定是个常数，它是 的函数,原理:励磁电流 I;用安培定理得H,2、磁滞回线,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的B与磁化的历史有关。,磁滞回线-不可逆过程,在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。,3、磁 畴,根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”,多晶磁畴结构 示意图,显示磁畴结构的铁粉图形,纯铁,硅铁,钴,三种铁磁性物质的磁畴,Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构,箭头表示磁化方向,临界温度(铁磁质的居里点)每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。,不同铁磁质具有不同的转变温度如：铁为 1040K，钴为 1390K，镍为 630K,用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。,3.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。,铁磁质的特性,2.有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强102 104倍。,4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。,1.磁导率不是一个常量，它的值不仅决定于原线 圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。B 和H 不是线性关系。,4、铁磁质的分类及其应用,软磁材料作变压器的。纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。,r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。,还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。,(1)软磁材料,(2)硬磁材料作永久磁铁,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,(3)矩磁材料作存储元件,Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H HC使磁芯呈 B态，可做为二进制的两个态。,矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。,还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,稳恒电流元总是回路的一部分，在实际中不可能孤立存在，因而闭合回路之间的相互作用总是大小相等、方向相反，即稳恒条件下不存在这样的问题。,但是，在非稳恒条件下，可以有孤立的电流元存在（如单个的运动电荷），它们的相互作用可以直接用实验来确定。这时如何理解？,经典力学中，人们可从牛顿第三定律导出动量守恒定律。其实，动量守恒定律是物理学中更普遍的定律，它对任何封闭的物体系都成立。问题在于电磁场本身也是物质，也具有动量。在稳恒状态下，电磁场的动量是不变的，在非稳恒情形下其动量将随时间变化。运动电荷之间的相互作用不满足牛顿第三定律，这表明它们的动量之和不守恒。但它们不是封闭系统，这时每个运动电荷与电磁场之间还要交换动量。电荷动量的增减正好由电磁场动量的改变予以补偿。,在电动力学中可以证明，电磁力作用下，包括载荷体和电磁场在内的系统的动量仍然守恒。,动量守恒与牛顿第三定律的关系 考虑两个（或多个）带电粒子在相互作用下运动的系统，这个粒子系统的总动量与它们的电磁场的动量之和应在运动中保持守恒。仅当电磁场的动量变化可以忽略时，才回有粒子组的总动量守恒。从力学讲，质点组的动量守恒与牛顿第三定律是等价的。由此看来，牛顿第三定律并不是普遍成立的规律，而只是在一定条件下成立的近似规律。应该强调的是，力学问题中涉及的绝大部分力，如弹性力、摩擦力及碰撞力等，在本质上都是电磁作用的宏观表现。对宏观电中性的物体，两者必须接触才会有相互作用。这种作用下，电磁场的变化是微不足道的，在不计及这个变化时，牛顿第三定律才成立。因此，在电磁作用下的总动量守恒才是基本规律。,超导体和超流体研究,通常条件下导线有电阻，因而大量电能浪费在传输过程中；流体在流动过程中自身会产生阻力，因而原油在输油管中流动需要外界提供动力。很多人会想到，如果电流传输、流体流动没有阻力该多好。,电子在导体中定向移动形成电流，电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动，这就是电阻的成因。大量原子振动在宏观上表现为导体发热，到达一定程度可使导体熔化。电焊、电切割利用的就是这一原理。流体流动时产生的阻力实质上是流体分子之间存在的吸引、碰撞等相互作用造成的。要消除电流和流体传输中的阻力，就必须在微观粒子特性上想办法。,年，荷兰科学家卡麦林昂内斯发现，汞在4.2K时，其电阻会突然消失。他称之为“超导电性”，并因之获得年诺贝尔物理学奖。对这一奇妙的现象，直到年科学家才作出较为成功的理论解释。美国物理学家巴丁、库珀和施里弗提出，超导体中存在着电子对，这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道，不会引起原子振动，即为超导现象。这三位科学家因此而获得年的诺贝尔物理学奖。,后来科学家发现存在着两种超导体。一种称为型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。另一种称为型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过(部分屏蔽磁场)。,巴丁、库珀和施里弗提出的理论只能解释型超导体的特性，无法解释型超导体的特性。年维塔利金茨堡与苏联科学家列夫郎道因对凝聚态(特别是液氦理论)的研究成果获得年诺贝尔物理学奖提出一种描述超导等现象的公式，在此基础上，年阿列克谢阿布里科索夫提出了一种能够解释型超导体特性的理论。,超流体现象也是在超低温环境下观测到的。大气中稀有的惰性气体氦很难液化。直到年，荷兰科学家卡麦林昂内斯才把它制成液体。氦有两种同位素氦和氦。上世纪年代末，苏联科学家彼得卡皮察首先观测到液态氦的超流体特性。他因与此相关的成果获得年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫郎道用凝聚态理论成功解释。不过，科学家直到世纪年代末才观测到氦的超流体现象。因为使氦出现超流体现象的温度只有氦的千分之一。,科学家发现，氦超流体有一些特别的现象无法用原有理论解释。针对这些现象，世纪年代末，在英国工作的安东尼莱格特提出了一个能用数学公式解释氦超流体现象的理论。后来证明这一理论能够系统地解释多种超流体的特性，并适用于粒子物理和宇宙学等其他领域。,2003年10月7日，瑞典皇家科学院在首都斯德哥尔摩宣布2003年诺贝尔物理学奖得主（从左至右）：俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼莱格特,以表彰他们在超导体和超流体理论上作出的开创性贡献。,超导材料的用途非常广泛，比如在磁悬浮列车、核磁共振成像、超导发电、超导计算机、输电和储能等方面都有很大用处。如今世界各国对超导的研究越来越热，而重中之重就在于常温超导。有专家预测，这种技术一旦推广应用，总体上可以节约目前三分之二的电力。与超导原理已经得到应用相比，超流体原理的应用尚在研究之中。不过，这一领域已经曙光初现。年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为年世界十大科技进展之一。,