11年-大学物理 磁力-物质的磁性.ppt

《11年-大学物理 磁力-物质的磁性.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《11年-大学物理 磁力-物质的磁性.ppt（57页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第1111章章 磁力磁力1 带电粒子在磁场中的运动 说明：说明：说明：说明：1、洛仑兹力、洛仑兹力F的方向垂直的方向垂直于于v和和B所确定的平面。所确定的平面。2、洛仑兹力、洛仑兹力F不能改变带电粒子速度不能改变带电粒子速度v的大小，只能的大小，只能改变其运动方向。改变其运动方向。（1）.运动方向与磁场方向平行运动方向与磁场方向平行 =0F=0+Bv结论：结论：结论：结论：带电粒子作匀速直线运动。带电粒子作匀速直线运动。带电粒子作匀速直线运动。带电粒子作匀速直线运动。周期：周期：频率：频率：带电粒子作匀速圆周运动，其周期和频率带电粒子作匀速圆周运动，其周期和频率带电粒子作匀速圆周运动，其周期

2、和频率带电粒子作匀速圆周运动，其周期和频率与速度无关。与速度无关。与速度无关。与速度无关。结论：结论：结论：结论：（2）.运动方向与磁场方向垂直运动方向与磁场方向垂直vF +BR运动方程：运动方程：（3 3）.运动方向沿任意方向运动方向沿任意方向半径：半径：周期：周期：螺距：螺距：结论：结论：结论：结论：螺旋运动螺旋运动螺旋运动螺旋运动:匀速直线运动匀速直线运动匀速圆周运动匀速圆周运动1 1、磁聚焦、磁聚焦 U阴阴极极控制极控制极阳极阳极Bl电磁场控制带电粒子运动的实例动力学方程动力学方程:mdvdt=qvBqE+2 2 2 2、速度选择器、速度选择器、速度选择器、速度选择器Fm +-E+vF

3、e3.3.3.3.汤姆孙实验汤姆孙实验汤姆孙实验汤姆孙实验 电子动能：电子动能：电子束打在屏幕中央的条件：电子束打在屏幕中央的条件：电子的比荷：电子的比荷：电子的质量：电子的质量：4.4.4.4.质谱仪质谱仪质谱仪质谱仪质谱仪是研究物质同质谱仪是研究物质同位素的仪器。位素的仪器。RN：为粒子源为粒子源P：为速度选择器为速度选择器 +-P N BFxFyFvBB带电粒子在非匀强磁场中的运动带电粒子在非匀强磁场中的运动 粒子受到一个与运动方向相反的力粒子受到一个与运动方向相反的力Fx,此力阻止粒子向磁场增强方向运动此力阻止粒子向磁场增强方向运动.线线圈圈线线圈圈B磁约束装置等离子体磁 塞线线圈圈线

4、线圈圈B磁约束装置等离子体磁 塞磁约束装置线线圈圈线线圈圈等离子体磁 塞地磁场的磁感应线地磁场的磁感应线范范艾艾仑仑(J.A.Van Allen)辐辐射射带带 宇宙带电粒子被地球磁场俘获并在艾仑宇宙带电粒子被地球磁场俘获并在艾仑带内作螺旋式振荡运动。带内作螺旋式振荡运动。北极光北极光地地轴轴B增增大大SN北极北极南极南极11.211.2 霍耳效应霍耳效应 B 18791879年，霍尔（年，霍尔（E.H.HallE.H.Hall，185518551936 1936）发发现，把一载流导体放在磁场中时，如果磁场方向与现，把一载流导体放在磁场中时，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流两者垂直的

5、方向电流方向垂直，则在与磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势差。这一现象称为上出现横向电势差。这一现象称为霍耳效应霍耳效应，这电，这电势差称为势差称为霍耳电势差霍耳电势差。+-V1V2II动态平衡时：动态平衡时：xyzV-II+-dbB-vFeFmRH 称为称为霍耳系数霍耳系数令：令：如果载流子带正电荷，则如果载流子带正电荷，则霍耳系数：霍耳系数：BI+BI+P型半导体型半导体载流子为载流子为带正电的空穴带正电的空穴带正电的空穴带正电的空穴 n型半导体型半导体载流子为载流子为电子电子电子电子判断半导体类型：判断半导体类型：V=Hbnq()1I Bnq1RH=在金属中，由于在金属中，由于n很大

6、，因此很大，因此RH很小。而在一般半很小。而在一般半导体中，导体中，n 较小，因此较小，因此RH也大。也大。11.3 11.3 载流导线在磁场中受的磁力载流导线在磁场中受的磁力1 载流导线在磁场中受的力电流元中的电子数电流元中的电子数 nSdl作用在电流元上的作用力：作用在电流元上的作用力：+BFLIvF安培定律安培定律 ：安培力：安培力：磁场对电流的作用力磁场对电流的作用力安培力的基本计算公式：例例1.计算长为计算长为L的载流直导线在均匀磁场的载流直导线在均匀磁场B中所受中所受的力的力。IB解：解：BFx=0FyF=IB=2R.=B dlI dl=Rd()=dFB dlIsin900 例例2

7、 有一半径为有一半径为R 的半圆形导线，通有的半圆形导线，通有电流电流 I，它处于一磁感应强度为它处于一磁感应强度为B 的匀强磁的匀强磁场场 之中。求：安培力。之中。求：安培力。dFdFB dlI=yxo=B dlIsin=dF sin=B I0Rsin d RId dlI 例例3 3 任意形状的一段导线任意形状的一段导线AB，如图如图所示，其中通有电流所示，其中通有电流I，导线放在和匀强磁导线放在和匀强磁场场B 垂直的平面内。试证明导线垂直的平面内。试证明导线AB所受的所受的力等于力等于A到到B间载有同样电流的直导线所受间载有同样电流的直导线所受的力。的力。BAxydlILBrxI2I1例例

8、4.4.无限长直载流导线通有电流无限长直载流导线通有电流I I1 1，在同一平面内在同一平面内有长为有长为L L的载流直导线，通有电流的载流直导线，通有电流I I2 2。（如图所示）如图所示）求：长为求：长为L L的导线所受的磁场力。的导线所受的磁场力。解：dxxldFdl11.4 载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩线圈磁矩线圈磁矩：线圈所受磁力矩：线圈所受磁力矩：注意：注意：上式对均匀磁场中任意形状的平面载流线上式对均匀磁场中任意形状的平面载流线圈都适用。圈都适用。讨论：讨论：（1）=0 时，时，M=0 ，线圈处于稳定平衡状态。线圈处于稳定平衡状态。（2）=90 时，时，M=Mmax=NBIS（

9、3）=180 时，时，M=0 ，线圈处于非稳定平衡状态。线圈处于非稳定平衡状态。力矩力矩M最大最大.力矩力矩M最小最小BAFx=B l IxF例、例、载流直导线在匀强磁场中移动时的功载流直导线在匀强磁场中移动时的功I=xlIIa aI I1I2 11.5 平行载流导线间的相互作用力单位长度受力：单位长度受力：dF12dl1B2dF21dl2B1电流强度单位：电流强度单位：电流强度单位：电流强度单位：“安培安培安培安培”的定义的定义的定义的定义设：I1=I2=1 A，a=1 m单位长度导线受到的磁力：单位长度导线受到的磁力：a aI I1I2F12F21 两平行长直导线相距两平行长直导线相距1m

10、，通过大小相等的电流，通过大小相等的电流，如果这时它们之间单位长度导线受到的磁场力正好如果这时它们之间单位长度导线受到的磁场力正好是是2 10-7 Nm时，就把两导线中所通过的电流定义时，就把两导线中所通过的电流定义为为“1安培安培”。BI例例4.有一半径为有一半径为R的闭合载流线圈，通过电流的闭合载流线圈，通过电流I。今把今把它放在均匀磁场中，磁感应强度为它放在均匀磁场中，磁感应强度为B，其方向与线圈其方向与线圈平面平行。求：（平面平行。求：（1）以直径为转轴，线圈所受磁力）以直径为转轴，线圈所受磁力矩的大小和方向。（矩的大小和方向。（2）在力矩作用下，线圈转过）在力矩作用下，线圈转过90，

11、力矩做了多少功？，力矩做了多少功？法一：法一：线圈转过线圈转过9090时，磁通量的增量为：时，磁通量的增量为：BIBI法二法二作用力垂直于线圈平面作用力垂直于线圈平面Rdl力矩的功：力矩的功：力矩：力矩：第第1212章章 物质的磁性物质的磁性12.1、物质对磁场的影响 当一块介质放在外磁场中将会与磁场发生相互作用，产生“磁化”现象，介质中出现附加磁场。我们把这种在磁场作用下磁性发生变化的介质称为“磁介质”。设：设：设：设：外场的磁感应强度为外场的磁感应强度为外场的磁感应强度为外场的磁感应强度为B0 0；介质磁化后的附加磁场为介质磁化后的附加磁场为介质磁化后的附加磁场为介质磁化后的附加磁场为B磁

12、介质中的磁感应强度：磁介质中的磁感应强度：磁介质中的磁感应强度：磁介质中的磁感应强度：相对磁导率：相对磁导率：相对磁导率：相对磁导率：令：令：=0 r 称为称为磁导率磁导率真空螺线管的磁场：真空螺线管的磁场：真空螺线管的磁场：真空螺线管的磁场：介质螺线管的磁场：介质螺线管的磁场：介质螺线管的磁场：介质螺线管的磁场：三类磁介质：三类磁介质：三类磁介质：三类磁介质：（1）顺磁质顺磁质：介质磁化后呈弱磁性介质磁化后呈弱磁性。附加磁场附加磁场B 与外场与外场B0同向。同向。B B0 ,r 1（2）抗磁质抗磁质：介质磁化后呈弱磁性介质磁化后呈弱磁性。附加磁场附加磁场B 与外场与外场B0反向。反向。B B

13、0 ,r B0 ,r 1（4）完全抗磁体完全抗磁体：（r 0）：）：B 0，磁介质内磁介质内的磁场等于零（如超导体）。的磁场等于零（如超导体）。磁介质种类种 类温度相对磁导率r 1铋汞铜氢（气）293K293K293K1-16.610-51-2.910-51-1.010-51-3.8910-5r 1氧（液）氧（气）铝铂90K293K293K293K1+769.910-51+334.910-51+1.6510-51+26.010-5r 1铸钢铸铁硅钢坡莫合金2.2103（最大值）4102（最大值）7102（最大值）1105（最大值）r 0汞铌小于4.15K小于9.26K0012.212.2、物质

14、的磁化、物质的磁化分子或原子中的电子，存在分子或原子中的电子，存在轨道运动，自旋运动；轨道运动，自旋运动；+-+各电子磁矩各电子磁矩+-分子磁矩分子磁矩把分子或原子看作一个整体，其对外产生磁效应的总把分子或原子看作一个整体，其对外产生磁效应的总和，可等效于一个圆电流，称为和，可等效于一个圆电流，称为“分子电流分子电流”。分子。分子电流的磁矩称为电流的磁矩称为“分子磁矩分子磁矩”表示为表示为 。两种运动都能产生磁效应两种运动都能产生磁效应（1 1）.顺磁质顺磁质特点：存在分子固有磁矩。特点：存在分子固有磁矩。无外磁场：无外磁场：无外磁场：无外磁场：外磁场中：外磁场中：-+-+-B+-+-+（2

15、2 2 2）.抗磁质抗磁质抗磁质抗磁质特点：特点：分子固有磁矩等于零，因此不存在顺磁效应。分子固有磁矩等于零，因此不存在顺磁效应。+-+-附加电子磁矩附加电子磁矩 的方向总是和外磁场的方向总是和外磁场 方向相反方向相反-抗抗磁效应磁效应。以长直螺线管为例：以长直螺线管为例：介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其介质磁化以后，由于分子磁矩的有序排列，其宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流，这种电流称为种电流称为“磁化电流磁化电流”（I）。）。12.3 H的环路定理 磁介质在磁化后，由于外磁场磁介质在磁化后，由于外磁场 和附加磁场和附加磁场 都属于涡旋

16、场。因此，在有磁介质存在时，磁场中都属于涡旋场。因此，在有磁介质存在时，磁场中的高斯定理仍成立。的高斯定理仍成立。（1）.有介质存在时的高斯定理有介质存在时的高斯定理（2）.有介质存在时的安培环路定理有介质存在时的安培环路定理 定义“磁场强度”有磁介质时的安培环路定理：有磁介质时的安培环路定理：结论：结论：磁场强度磁场强度 沿任一闭合回路的环路积分，沿任一闭合回路的环路积分，等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和（在形式上与磁介质中的磁化电流无关）。（在形式上与磁介质中的磁化电流无关）。单位：Io r r例例5.一半径为一半径为R1的无限长圆柱形直

17、导线，外面包一的无限长圆柱形直导线，外面包一层半径为层半径为R2，相对磁导率为相对磁导率为 r 的圆筒形磁介质。通的圆筒形磁介质。通过导线的电流为过导线的电流为I0。求磁介质内外磁场强度和磁感求磁介质内外磁场强度和磁感应强度的分布。应强度的分布。解：解：R2R15、铁磁质 铁磁质是一种强磁质，磁化后的附加磁感应强度远大于外磁场的磁感应强度，因此用途广泛。铁、钴、镍以及许多合金都属于铁磁质。1.磁滞回线磁滞回线 aoHBBr-HsHsbcdefHcOa:起始磁化曲线起始磁化曲线Hs:饱和磁场强度饱和磁场强度Br:剩余磁感应强度剩余磁感应强度Hc:矫顽力矫顽力铁磁质的特点：铁磁质的特点：能产生非常

18、强的附加磁场能产生非常强的附加磁场B甚至是外磁场的甚至是外磁场的千百倍。而且与外场同方向。千百倍。而且与外场同方向。B 和和H 呈非线性关系，呈非线性关系，不是一个恒量。不是一个恒量。高高 值。值。磁滞现象，磁滞现象，B 的变化落后于的变化落后于H的变化。的变化。铁磁质的分类：铁磁质的分类：HB软磁材料：软磁材料：磁滞回线细而窄，矫顽磁滞回线细而窄，矫顽力小。力小。磁滞损耗小，容磁滞损耗小，容易磁化，容易退磁，易磁化，容易退磁，适用于交变磁场。如适用于交变磁场。如制造电机，变压器等制造电机，变压器等的铁芯。的铁芯。硬磁材料：硬磁材料：HB磁滞回线较宽，剩余磁滞回线较宽，剩余磁感应强度和矫顽力磁

19、感应强度和矫顽力都比较大。都比较大。适合于制造永磁体适合于制造永磁体HB矩磁材料：矩磁材料：磁滞回线接近于矩磁滞回线接近于矩形，剩余磁感应强度形，剩余磁感应强度Br接近于饱和磁感应强接近于饱和磁感应强度度Bs。适合于制作记录磁适合于制作记录磁带及计算机的记忆带及计算机的记忆元件。元件。2.磁畴磁畴 铁磁质内部相邻原子的铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微小的区域内磁矩会在一个微小的区域内形成方向一致、排列非常整形成方向一致、排列非常整齐的齐的 “自发磁化区自发磁化区”，称，称为为磁畴磁畴。磁畴大小：磁畴大小：每个磁畴所含分子数：每个磁畴所含分子数：铁磁质在外磁场中的铁磁质在外磁场中的磁化过程主要为畴壁磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的移动和磁畴内磁矩的转向。的转向。自发磁化方向自发磁化方向逐渐转向外磁场方逐渐转向外磁场方向（磁畴转向），向（磁畴转向），直到所有磁畴都沿直到所有磁畴都沿外磁场方向整齐排外磁场方向整齐排列时，铁磁质就达列时，铁磁质就达到磁饱和状态。到磁饱和状态。铁的居里点：铁的居里点：T=1040=1040K 镍的居里点：镍的居里点：T=631=631K