第14章磁力PPT讲稿.ppt

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1、第14章磁力第1页，共39页，编辑于2022年，星期一【学习目的学习目的学习目的学习目的】(1)掌握洛仑兹公式霍尔效应的原理和应用(2)理解和安培定律(3)掌握载流导线在磁场中受到的力矩第2页，共39页，编辑于2022年，星期一 1.带电粒子速度与磁场垂直带电粒子速度与磁场垂直大小大小 方向方向始终与电荷的运动方向垂直始终与电荷的运动方向垂直14.1 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动第3页，共39页，编辑于2022年，星期一回旋半径回旋半径 R 回旋周期回旋周期回旋加速器中加速带电粒子第4页，共39页，编辑于2022年，星期一沿磁场方向沿磁场方向 粒子作粒子作匀速匀速运动运动 2.

2、带电粒子速度与磁场不垂直带电粒子速度与磁场不垂直垂直磁场方向垂直磁场方向 粒子作粒子作匀速匀速圆周圆周运运 动动（回旋运动）（回旋运动）第5页，共39页，编辑于2022年，星期一粒子总的运动是一个轴线沿磁场方向的螺旋运动粒子总的运动是一个轴线沿磁场方向的螺旋运动h第6页，共39页，编辑于2022年，星期一螺旋线半径螺旋线半径回旋周期回旋周期 螺旋轨迹的螺距螺旋轨迹的螺距h第7页，共39页，编辑于2022年，星期一r磁聚焦磁聚焦会会聚聚到到一一点点的的现现象象与与透透镜镜将将光光束束聚聚焦焦现现象象十十分分相相似似，因因此此叫叫磁磁聚聚焦焦。(电电真真空空器器件件中中，特特别别电电子子显显微微镜

3、镜)3.带电粒子在磁场中运动举例带电粒子在磁场中运动举例一一束束发发散散角角不不大大的的带带电电粒粒子子束束，当当它它们们在在磁磁场场 B 的的方方向向上上具具有有大大致致相相同同的的速速度度分分量量时时，它它们们有有相相同同的的螺螺距距。经经过过一一个个周周期期它它们们将将重重新新会会聚聚在在另另一一点点，这这种种发发散散粒粒子束子束第8页，共39页，编辑于2022年，星期一 在在非非均均匀匀磁磁场中中,磁磁场场较较强强的的地地方方，回回旋旋半半径径和和螺螺距距都都较较小小。带带电电粒粒子子所所受受洛洛伦伦兹兹力力恒恒有有一一指指向向磁磁场场较较弱方向的分量阻碍其继续前进，就象遇弱方向的分量

4、阻碍其继续前进，就象遇反反射射镜镜一一样样。这这种种强强度度逐逐渐渐增增强强的磁场称为的磁场称为磁镜磁镜。r磁镜（或磁塞）磁镜（或磁塞）第9页，共39页，编辑于2022年，星期一 两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的磁场。两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的磁场。带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁场内来回运动而不带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁场内来回运动而不能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称为能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称为磁瓶磁瓶。(受控受控热核反应实验热核反应实验)r磁约束磁约束第10页，共39页，编辑于2022年，星期一 地球的磁场与一个棒地球的磁场与一个棒状磁体的磁场相似，地状磁体

5、的磁场相似，地磁轴与自转轴的交角为磁轴与自转轴的交角为11.50，地磁两极在地面，地磁两极在地面上的位置是经常变化的。上的位置是经常变化的。r范艾仑辐射带和北极光范艾仑辐射带和北极光 第11页，共39页，编辑于2022年，星期一 从赤道到地磁的两极磁场逐渐增强，因此地磁场是从赤道到地磁的两极磁场逐渐增强，因此地磁场是一个天然的磁约束捕集器，它使来自宇宙射线和一个天然的磁约束捕集器，它使来自宇宙射线和“太太阳风阳风”的带电粒子围绕地磁场的磁感应线做螺旋运动，的带电粒子围绕地磁场的磁感应线做螺旋运动，而在靠近地磁南、北两极处被反射回来。这样，带电而在靠近地磁南、北两极处被反射回来。这样，带电粒子就

6、在地磁南、北两极之间来回振荡，直到由于粒粒子就在地磁南、北两极之间来回振荡，直到由于粒子间的碰撞而被逐出为止。子间的碰撞而被逐出为止。第12页，共39页，编辑于2022年，星期一 被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电子被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电子层，形成层，形成范范阿仑阿仑(Van Allen）辐射带辐射带。范范阿仑辐射带有两层阿仑辐射带有两层外层外层 在在 60 000 km 处处 800 km-4 000 km内层内层 地面上空地面上空第13页，共39页，编辑于2022年，星期一 在地磁场的南、北两极附近由于磁感应线与地面垂在地磁场的南、北两极附近由于磁感应线与地面垂直，由外

7、层空间入射的带电粒子可直接射入直，由外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内。高空大气层内。高速带电粒子与高速带电粒子与大气分子相互碰大气分子相互碰撞产生的电磁辐撞产生的电磁辐射就形成了绚丽射就形成了绚丽多彩的多彩的极光极光。第14页，共39页，编辑于2022年，星期一 1.实验现象实验现象 q把一载流导体薄板放在磁场中时，如果磁场方向把一载流导体薄板放在磁场中时，如果磁场方向垂直于薄板平面，则在薄板的上、下两侧垂直于薄板平面，则在薄板的上、下两侧面之间会出现微弱面之间会出现微弱电势差，这一现象电势差，这一现象称为称为霍耳效应霍耳效应，其电势差称为其电势差称为霍耳霍耳电压电压。14.2 霍

8、尔效应霍尔效应第15页，共39页，编辑于2022年，星期一 2.经典理论解释经典理论解释 q电子受力电子受力q平衡平衡时hbn第16页，共39页，编辑于2022年，星期一 2.应用应用 q判断半导体的载流子种类（电子、空穴？）。判断半导体的载流子种类（电子、空穴？）。第17页，共39页，编辑于2022年，星期一q磁强计（高斯计）：测量磁场的大小和方向。磁强计（高斯计）：测量磁场的大小和方向。q磁流体发电。磁流体发电。q反常反常“霍尔效应霍尔效应”-量子霍尔效应解释量子霍尔效应解释第18页，共39页，编辑于2022年，星期一 1.安培力安培力 q实实验验发发现现，外外磁磁场场对对载载流流导导线线

9、有有力力的的作作用用，这这个个力称为力称为安培力安培力。14.3载流导流在磁场中受的力和力矩载流导流在磁场中受的力和力矩第19页，共39页，编辑于2022年，星期一q载载流流导导线线在在磁磁场场中中所所受受到到的的磁磁力力（安安培培力力）的的本本质质是是：在在洛洛伦伦兹兹力力的的作作用用下下，导导体体作作定定向向运运动动的的电电子子和和导导体体中中晶晶格格上上的的正正离离子子不不断断地地碰碰撞撞，把把动动量量传传给给了了导导体体，从从而而使使整整个个载载流流导导体体在在磁磁场场中中受受到到磁磁力力的作用。的作用。第20页，共39页，编辑于2022年，星期一 2.安培力公式安培力公式q任意任意电

10、流元电流元受力为受力为q整个受力整个受力第21页，共39页，编辑于2022年，星期一q例题例题 1 1在在均均匀匀磁磁场场中中放放置置一一半半径径为为 R 的的半半圆圆形形导导线线，电电流流强强度度为为 I ，导导线线两两端端连连线线与与磁磁感感强强度度方方向向夹夹角角 =3030，求此段圆弧电流受的磁力。，求此段圆弧电流受的磁力。=30=30第22页，共39页，编辑于2022年，星期一q解解在电流上任取电流元在电流上任取电流元方向方向=30=30第23页，共39页，编辑于2022年，星期一 3.载流线圈在磁场中所受的力矩载流线圈在磁场中所受的力矩q在在均均匀匀磁磁场场中中，有有一一刚刚性性矩

11、矩形形载载流流线线圈圈abcdabcd，它它的的边边长长分分别别为为 l1 和和 l2，电电流流为为I I。线线圈圈法法线线方方向向 与与电电流流的的流流向向符符合合右右手手螺螺旋旋关关系系，与与磁磁场场 的的方方向夹角为向夹角为。a ab bc cd dl2I Il1 第24页，共39页，编辑于2022年，星期一a ab bc cd dl2I Il1 q对对于于导导线线 ad ad 段段和和bc bc 段段，作作用用力力的的大大小小相相等等、方方向向相相反反，并并且且在在同同一一直直线线上上，所所以以它它们们的的合合力力及及合合力力矩都为零。矩都为零。第25页，共39页，编辑于2022年，星

12、期一q而而导导线线 ab ab 段段和和 cd cd 段段所所受受磁磁场场作作用用力力的的大大小为：小为：a a（b b）I Il1 d d（c c）因此线圈在磁场中受到一个磁力矩的作用。因此线圈在磁场中受到一个磁力矩的作用。这这两两个个力力的的方方向向相相反反，但不在同一直线上。但不在同一直线上。第26页，共39页，编辑于2022年，星期一q线线圈圈在在磁磁场场中中受受到到的的磁力矩的大小为：磁力矩的大小为：a a（b b）I Il1 d d（c c）其中其中磁力矩的矢量表示磁力矩的矢量表示第27页，共39页，编辑于2022年，星期一q定义定义称称为为载载流流线线圈圈的的磁磁偶极矩偶极矩，简

13、称，简称磁矩磁矩。a a（b b）I Il1 d d（c c）则则上式对所有闭合电流均成立。上式对所有闭合电流均成立。磁矩是微观粒子本身的特性之一。磁矩是微观粒子本身的特性之一。磁矩单位磁矩单位Am2 或或 Nm/T第28页，共39页，编辑于2022年，星期一q几种特殊情况：几种特殊情况：当当 时时，线线圈圈平平面面与与 垂垂直直，此此时时线圈处于稳定平衡状态；线圈处于稳定平衡状态；当当 时时，线线圈圈平平面面与与 平行，此时平行，此时a ab bc cd dI Ia ab bc cd dI I第29页，共39页，编辑于2022年，星期一当当 时时，线线圈圈平平面面与与 垂垂直直，但但载载流流

14、线线圈圈的的 方方向向与与 的的方方向向相相反反，此此时时线线圈圈处于不稳定平衡状态。处于不稳定平衡状态。a ab bc cd dI I总总之之，磁磁场场对对载载流流线线圈圈作作用用的的磁磁力力矩矩，总总是是使使磁矩磁矩 转到磁感强度的方向上。转到磁感强度的方向上。第30页，共39页，编辑于2022年，星期一第31页，共39页，编辑于2022年，星期一 4.磁矩在磁场中的势能磁矩在磁场中的势能q磁磁矩矩 与与磁磁场场 的的方方向向夹夹角角 增增大大时时，外外力力克克服服磁力矩做功磁力矩做功 I I第32页，共39页，编辑于2022年，星期一q外外力力克克服服磁磁力力矩矩所所做做的的功功就就是是

15、磁矩在磁场中势能的增量。磁矩在磁场中势能的增量。I I令令 1 1 =/2/2，势势能能 =0 0，则则势能定义为势能定义为第33页，共39页，编辑于2022年，星期一I I当当 时时，线线圈圈平平面面与与 垂垂直直，此此时时线线圈圈处处于于稳稳定定平平衡状态；衡状态；I I当当 时时，线线圈圈处处于不稳定平衡状态。于不稳定平衡状态。第34页，共39页，编辑于2022年，星期一 磁偶极矩与电偶极矩的比较磁偶极矩与电偶极矩的比较磁偶极矩磁偶极矩电偶极矩电偶极矩力力 矩矩势势 能能第35页，共39页，编辑于2022年，星期一14.5 平行电流间的相互作用力平行电流间的相互作用力1.对无限长平行载流

16、直导线对无限长平行载流直导线 1 和和 2dI1I2B1F1F2B221电流电流 I1 在电流在电流 I2 处产生的磁场为处产生的磁场为同理同理电流电流 I1 和电流和电流 I2方向相同时，方向相同时，两导线相吸；相反时，则相斥。两导线相吸；相反时，则相斥。单位长度载流导线受力第36页，共39页，编辑于2022年，星期一2.电流的单位电流的单位dI1I2B1F1F2B221规定规定:d d=1 m I1=I2 同方向同方向 F=2 10-7 N 时，时，I1=I2=1A1 C=1 A s由由第37页，共39页，编辑于2022年，星期一3.电流秤电流秤q线线圈圈C C1 1、C C2 2固固定定，活活动动线线圈圈C CM M吊吊在在天天平平的的一一个个盘盘下下面面，三三个个线线圈圈通通有有相相同同的的电电流流。天天平平的的平平衡衡由加减砝码来调节。由加减砝码来调节。q电电流流秤秤用用来来校校准准其其它它更更方方便便的的测测量量电电流流的的二二级级标标准。准。第38页，共39页，编辑于2022年，星期一 例例 求载流导线求载流导线ab 在无限长载流直导线磁场在无限长载流直导线磁场中所受力中所受力已知：已知：I1、I2、d、L解：在解：在ab上任取电流元上任取电流元电流元所受安培力如图电流元所受安培力如图方向向上方向向上第39页，共39页，编辑于2022年，星期一