第六章稳恒磁场(下在用).ppt

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1、一一.洛伦兹力公式洛伦兹力公式 实验结果实验结果 安培力与洛伦兹力的关系安培力与洛伦兹力的关系安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加四、四、磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用电荷密度电荷密度电流元内总电荷数电流元内总电荷数1二、安培力二、安培力S洛伦兹力洛伦兹力 安培力安培力2(1)(1)洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故 对电荷不作功，对电荷不作功，但能改变电荷的运动方向。但能改变电荷的运动方向。讨论讨论(2)在一般情况下，空间中电场和磁场同时存在在一般情况下，空间中电场和磁场同时存在二二.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒

2、子在均匀磁场中的运动(1)(1)粒子回转周期与频率粒子回转周期与频率情况情况3(2)(2)V V与与B B相互平行相互平行带电粒子不受力，做匀直带电粒子不受力，做匀直运动。运动。(3)(3)V V与与B B斜交成斜交成角角带电粒子作螺旋运动带电粒子作螺旋运动 磁聚焦原理磁聚焦原理 粒子粒子源源A A 很小时很小时接收接收器器 AA发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚发散角不太大的带电粒子束，经过一个周期后，重新会聚螺距螺距4 减少粒子的纵向前进速减少粒子的纵向前进速度，使粒子运动发生度，使粒子运动发生“反射反射”磁约束原理磁约束原理 在在非非均匀磁场均匀磁场中，速度方向与磁场不同

3、的带电粒子，也要作中，速度方向与磁场不同的带电粒子，也要作螺旋运动，但半径和螺距都将不断发生变化螺旋运动，但半径和螺距都将不断发生变化磁场增强，运动半径减少磁场增强，运动半径减少 强强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近 横向磁约束横向磁约束 纵向磁约束纵向磁约束在非在非均匀磁场中，纵向运动均匀磁场中，纵向运动受到抑制受到抑制 磁镜效应磁镜效应磁镜磁镜5磁约束磁约束6ProtonelectronEarthSN地磁场内的范艾仑辐射带（地磁场内的范艾仑辐射带（Van Allen belts）Magnetic South PoleGeographic South Po

4、le地理轴和地磁轴夹角地理轴和地磁轴夹角117北北 极极 光光 Aurora Borealis89 磁聚焦磁聚焦 在均匀磁场中点在均匀磁场中点 A 发射一发射一束初速相差不大的带电粒子束初速相差不大的带电粒子,它们的它们的 与与 之间的夹角之间的夹角 不同不同,但都较小但都较小,这些这些粒子沿半径不同的螺旋线运动粒子沿半径不同的螺旋线运动,因螺距因螺距近似相等近似相等,相交于屏上同一点相交于屏上同一点,此现象称此现象称为磁聚焦为磁聚焦.应用应用 电子光学电子光学,电子显微镜等电子显微镜等.10线圈线圈线圈线圈高温等离子体高温等离子体 磁镜效应的典型应用磁镜效应的典型应用受控热核聚变实验研究受控

5、热核聚变实验研究 能约束运动带电粒能约束运动带电粒子的磁场分布称为磁镜子的磁场分布称为磁镜约束约束 磁瓶磁瓶 地球的磁约束效应地球的磁约束效应 天然磁瓶天然磁瓶I113、质谱仪、质谱仪7072 73 74 76锗的质谱锗的质谱.+-速度选择器速度选择器照相底片照相底片质谱仪的示意图质谱仪的示意图S0EBB”12 我国于我国于1994年建成的第年建成的第一台强流质一台强流质子加速器子加速器，可产生数十可产生数十种中短寿命种中短寿命放射性同位放射性同位素素.13 回旋加速器回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室型室.此加速器可此加速器可将质子和氘核加

6、速到将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此的能量，为此1939年劳伦斯获诺年劳伦斯获诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖.14I霍耳电压霍耳电压+-4.4.霍尔效应霍尔效应 18791879年年 霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板面施加一磁场，则板面两侧会出现微弱电势差板面施加一磁场，则板面两侧会出现微弱电势差(霍尔效应霍尔效应)15横向电场力横向电场力:洛伦兹力洛伦兹力:（q q为正电荷时）为正电荷时）当当达到动态平衡时：达到动态平衡时：实验结果实验结果受力分析受力分析(霍耳系数霍耳系数)ldIab(方向向下方向向下)(方向向上方向向上)+16I+-

7、P 型半导体型半导体+-霍耳效应的应用霍耳效应的应用（2）测量磁场测量磁场霍耳电压霍耳电压（1）判断半导体的类型判断半导体的类型+-N 型半导体型半导体-I+-17 量子霍尔效应量子霍尔效应（1980年）年）霍耳电阻霍耳电阻18(2)区分半导体材料类型区分半导体材料类型 霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关+N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体它是研究半导体材料性质的有效方法它是研究半导体材料性质的有效方法（浓度随杂质、温浓度随杂质、温度等变化度等变化）讨论讨论(1)通过测量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度通过测量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度19高温

8、导高温导电气体电气体没有机械转动部分造成的没有机械转动部分造成的能量损耗能量损耗可提高效率可提高效率特点：特点：(3)磁流体发电磁流体发电20载流导体产生磁场载流导体产生磁场磁场对电流有作用磁场对电流有作用一一.安培定理安培定理大小：大小：方向：方向：由由右手螺旋法则确定右手螺旋法则确定 任意形状载流导线在外磁场中受到的安培力任意形状载流导线在外磁场中受到的安培力五、五、磁场对载流导体的作用磁场对载流导体的作用安培力安培力安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加安培力是大量带电粒子洛伦兹力的叠加电流元磁场电流元磁场与安培力关与安培力关系系21(1)安培定理是矢量表述式安培定理是矢量表述式(2)若磁场

9、为匀强场若磁场为匀强场 在在匀强磁场中的闭合电流受力匀强磁场中的闭合电流受力讨论讨论22xyOAIL此段载流导线受的磁力。此段载流导线受的磁力。在电流上任取电流元在电流上任取电流元例例 在均匀磁场中放置一任意形状的导线，电流强度为在均匀磁场中放置一任意形状的导线，电流强度为I I求求解解相当于载流直导线相当于载流直导线在匀强磁场中受的力，方向沿在匀强磁场中受的力，方向沿 y y 向。向。23例例 求两求两平行无限长直导线之间的相互作用力？平行无限长直导线之间的相互作用力？解解 电流电流 2 处于电流处于电流 1 的磁场中的磁场中同时，电流同时，电流 1 处于电流处于电流 2 的磁场中，的磁场中

10、，电流电流 2 中单位长度上受的安培力中单位长度上受的安培力电流电流 1 中单位长度上受的安培力中单位长度上受的安培力24(1)电流强度的国际单位安培电流强度的国际单位安培(A)(A)就是根据平行电流间的相互就是根据平行电流间的相互作用力公式定义的。作用力公式定义的。定义定义:真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，若真空中通有同值电流的两无限长平行直导线，若 相距相距 1 1 米米，单位长度受力，单位长度受力(2)电流之间的磁力符合牛顿第三定律：电流之间的磁力符合牛顿第三定律：则电流为则电流为1 1 安培安培。(3)分析两电流元之间的相互作用力分析两电流元之间的相互作用力同理同理 两电流元之

11、间的相互作用力，一般不遵守牛顿第三定律两电流元之间的相互作用力，一般不遵守牛顿第三定律讨论讨论25(4)分析两根带电长直线沿长度方向运动时，带电线之间的分析两根带电长直线沿长度方向运动时，带电线之间的作用力。作用力。两带电线上的电流为两带电线上的电流为 两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力两带电线单位长度上的电荷之间的库仑力在一般情况下，磁场力远小于电场力在一般情况下，磁场力远小于电场力26例例 求求一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势一载流导线框在无限长直导线磁场中的受力和运动趋势解解 1234方向向左方向向左方向向右方向向右 整个线圈所受的合力：整个线圈所受的合力：线圈向左做平

12、动线圈向左做平动1324272.2.磁场对平面载流线圈的作用磁场对平面载流线圈的作用（方向相反在同一直线上）（方向相反在同一直线上）（线圈无平动）（线圈无平动）对中心的力矩为对中心的力矩为1.在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈在均匀磁场中的刚性矩形载流线圈（方向相反方向相反不在一条直线上）不在一条直线上）令令+A(B)D(C)282.磁场力的功磁场力的功讨论讨论(1)线圈若有线圈若有N 匝线圈匝线圈(2)M 作用下，磁通量增加作用下，磁通量增加稳定平衡稳定平衡负号表示力矩作正功时负号表示力矩作正功时 减小减小非稳定平衡非稳定平衡(3)非均匀磁场中的平面电流环非均匀磁场中的平面电流环线圈有平动和转动

13、线圈有平动和转动29IB.IB BI稳定平衡稳定平衡不不稳定平衡稳定平衡讨讨 论论（1）与与 同向同向（2）方向相反方向相反（3）方向垂直方向垂直力矩最大力矩最大30例：如图所示，在均匀磁场中，半径为例：如图所示，在均匀磁场中，半径为R的薄圆盘以角速的薄圆盘以角速度度绕中心轴转动，圆盘电荷面密度为绕中心轴转动，圆盘电荷面密度为。求它的磁矩和。求它的磁矩和所受的磁力矩。所受的磁力矩。解：取半径为解：取半径为r的环状面元，圆的环状面元，圆盘转动时，它相当于一个载流圆盘转动时，它相当于一个载流圆环，其电流：环，其电流：磁矩：磁矩：R大小：大小：圆盘磁矩：圆盘磁矩：方向：向上方向：向上受的力矩：受的力

14、矩：rdr31 例例 半径为半径为 载有电流载有电流 的导体圆的导体圆环与电流为环与电流为 的长直导线的长直导线 放在同一平放在同一平面内（如图），直导面内（如图），直导线与圆心相距为线与圆心相距为 d，且且 R d 两者间绝缘两者间绝缘,求求 作用在圆电流上的作用在圆电流上的磁场力磁场力.OdR32解解OdR.33OdR.34OdR.35 例例 如图半径为如图半径为0.20m，电流为电流为20A，可可绕轴旋转的圆形载流线圈放在均匀磁场中绕轴旋转的圆形载流线圈放在均匀磁场中，磁感应强度的大，磁感应强度的大小为小为0.08T，方向沿方向沿 x 轴正向轴正向.问问线圈受力情况怎样？线圈受力情况怎样

15、？线圈所受的磁力矩又线圈所受的磁力矩又为多少？为多少？IRQJKPo36解解 把线圈分为把线圈分为JQP和和PKJ两部分两部分IRQJKPo以以 为轴，为轴，所受磁力矩大小所受磁力矩大小37IRQJKPo38一一 磁介质磁介质 磁化强度磁化强度介质磁化后的介质磁化后的附加磁感强度附加磁感强度真空中的真空中的磁感强度磁感强度 磁介质中的磁介质中的总磁感强度总磁感强度1 磁介质磁介质铁铁磁质磁质（铁、钴、镍等）（铁、钴、镍等）顺磁质顺磁质 抗抗磁质磁质（铝、氧、锰等）（铝、氧、锰等）（铜、铋、氢等）（铜、铋、氢等）弱磁质弱磁质第二节第二节 物质的磁性物质的磁性39分子圆电流和磁矩分子圆电流和磁矩

16、无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化有外磁场有外磁场顺顺磁质内磁场磁质内磁场顺磁质和抗磁质的磁化顺磁质和抗磁质的磁化二二.磁化机理磁化机理40无外磁场时抗磁质无外磁场时抗磁质分子磁矩为零分子磁矩为零 抗抗磁质内磁场磁质内磁场 同同向向时时 反反向向时时抗抗磁磁质质的的磁磁化化412、磁化强度磁化强度分子磁矩分子磁矩的矢量和的矢量和体积元体积元单位（安单位（安/米）米）意义意义 磁介质中单位体积内分子磁介质中单位体积内分子的合磁矩的合磁矩.423.有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理1.束缚电流束缚电流以以无限长螺线管为例无限长螺线管为例定义定义：磁化强度：磁化强度 磁

17、化强度越强，反映磁介质磁化程度越强磁化强度越强，反映磁介质磁化程度越强顺顺磁磁质质在在磁介质内部的任一小区域：磁介质内部的任一小区域：相邻的分子环流的方向相反相邻的分子环流的方向相反在在磁介质表面处各点：磁介质表面处各点：分子环流未被抵消分子环流未被抵消形成沿表面流动的面电流形成沿表面流动的面电流束缚电流束缚电流43结论：结论：介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。介质中磁场由传导和束缚电流共同产生。顺顺磁磁质质束缚电流密度束缚电流密度2.磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理可证明可证明:44定义磁场强度定义磁场强度:令令(磁介质的安培环路定理磁介质的安培环路定理)磁介质内磁场强度沿所选

18、闭合路径的环流等于闭合积分路径磁介质内磁场强度沿所选闭合路径的环流等于闭合积分路径所包围的所有传导电流的代数和。所包围的所有传导电流的代数和。讨论讨论 束缚电流与磁化强度束缚电流与磁化强度设设单位长度上的束缚电流为单位长度上的束缚电流为沿沿Z方向磁化的介质体元方向磁化的介质体元45取任意闭合回路取任意闭合回路 L，则磁化强度则磁化强度M 沿沿L 的积分等于穿过此的积分等于穿过此积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。积分回路围成的面积上束缚电流强度的代数和。(普遍关系式普遍关系式)则，它产生的磁矩则，它产生的磁矩介质侧面上的束缚电流强度介质侧面上的束缚电流强度46(3)对于各向同性介质，在外

19、磁场不太强的情况下对于各向同性介质，在外磁场不太强的情况下 介质的磁化率介质的磁化率一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解一定条件下，可用安培环路定理求解磁场强度，然后再求解磁感应强度。磁感应强度。47一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率一无限长载流直导线，其外包围一层磁介质，相对磁导率(2)介质内外界面上的束缚电流密度介质内外界面上的束缚电流密度例例求求解解 根据磁介质的安培环路定理根据磁介质的安培环路定理(1)磁介质中的磁化强度和磁感应强度磁介质中的磁化强度和磁感应强度由磁化强度与束缚电流密度的关系由磁化强度与束缚电流密度的关系内界面内界面:外界面外界面:48五

20、五.铁磁质铁磁质主要特征主要特征在在外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。外场中，铁磁质可使原磁场大大增强。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。撤去外磁场后，铁磁质仍能保留部分磁性。1.磁畴磁畴 磁化微观机理磁化微观机理铁磁质中自发磁化的小区域叫磁畴，磁畴中电子的自旋磁矩铁磁质中自发磁化的小区域叫磁畴，磁畴中电子的自旋磁矩整齐排列。整齐排列。无无磁化方向与磁化方向与有有 整个铁磁质的总磁矩为零整个铁磁质的总磁矩为零同向的磁畴扩大同向的磁畴扩大磁化方向转向磁化方向转向的的方向方向使使磁场大大增强磁场大大增强外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内外场撤去，被磁化的铁磁质受体内杂质和内应力的阻碍，不能

21、恢复磁化前的状态。应力的阻碍，不能恢复磁化前的状态。磁畴的磁磁畴的磁化方向化方向492.宏观磁化现象宏观磁化现象 磁滞回线磁滞回线铁磁质中铁磁质中不是线性关系不是线性关系 剩磁剩磁矫顽力矫顽力(1)实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是实验证明：各种铁磁质的磁化曲线都是“不可逆不可逆”的，的，具有磁滞现象具有磁滞现象讨论讨论(2)不同材料，矫顽力不同不同材料，矫顽力不同50(4)铁磁材料的应用铁磁材料的应用HC 较小较小HC较大较大易易磁化，易退磁磁化，易退磁剩磁较强，不易退磁剩磁较强，不易退磁可作变压器、电机、可作变压器、电机、电磁铁的铁芯电磁铁的铁芯可作永久磁铁可作永久磁铁软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料(3 3)铁磁质温度高于某一温度铁磁质温度高于某一温度TC 时时,铁磁质转化为顺磁质铁磁质转化为顺磁质,此临界温度称为居里点。此临界温度称为居里点。51