大学物理 磁力.ppt

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1、磁磁磁磁 力力力力第二节第二节1本节主要内容：本节主要内容：2.1 磁力与电荷的运动磁力与电荷的运动2.2 磁场与磁感应强度磁场与磁感应强度 2.3 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动2.4 霍尔效应霍尔效应2.5 载流导线在磁场中受的力载流导线在磁场中受的力本节学习要点本节学习要点1.磁感应强度磁感应强度2.磁力线和磁通量磁力线和磁通量22.1 2.1 磁力与电荷的运动磁力与电荷的运动31.磁针和磁针；磁针和磁针；4.载流导线与载流导线的相互作用。载流导线与载流导线的相互作用。3.在磁场中运动的电荷受到的磁力；在磁场中运动的电荷受到的磁力；2.磁铁与载流导线的相互作用；磁铁与载流导

2、线的相互作用；INSNSNS磁力磁力是指是指电流电流与磁体之间的相互作用力。与磁体之间的相互作用力。基本磁现象基本磁现象：指指北北N极，指南极，指南S极极4磁力是磁力是运动电荷运动电荷运动电荷运动电荷之间的相互作用之间的相互作用.一切磁现象的根源是一切磁现象的根源是电流电流.结论结论 永磁体永磁体也是由分子原子组成的，在分子内部，电也是由分子原子组成的，在分子内部，电子和质子等带电粒子的运动也形成微小的电流子和质子等带电粒子的运动也形成微小的电流，叫分，叫分子电流子电流。永磁体是分子电流方向定向排列。永磁体是分子电流方向定向排列。永磁体与其他永磁体或电流的相互作用，永磁体与其他永磁体或电流的相

3、互作用，实际上实际上是整齐排列的分子电流之间或他们与导线中定向运是整齐排列的分子电流之间或他们与导线中定向运动的电荷之间的相互作用。动的电荷之间的相互作用。5 用磁感应强度用磁感应强度 描述磁场强弱的一个物理量描述磁场强弱的一个物理量.2.2 磁场与磁场与磁感应强度磁感应强度运动电荷运动电荷磁场磁场运动电荷运动电荷磁场：磁场：磁极或电流在自己周围的空间产生一个磁场磁极或电流在自己周围的空间产生一个磁场磁场的基本性质之一磁场的基本性质之一是他对于任何置于其中的其他是他对于任何置于其中的其他磁极或电流施加作用力磁极或电流施加作用力磁力作用方式磁力作用方式6(2)(2)磁作用力磁作用力F F 还与粒

4、子的运动方向有关还与粒子的运动方向有关,在一在一定的方向时定的方向时F F最大为最大为F Fm m.(1)(1)在磁场中某点运动的电荷在磁场中某点运动的电荷,所受磁作用力所受磁作用力,与电与电荷量荷量q q,速度的大小速度的大小v v成正比成正比.的的方向方向定义如图定义如图定义定义B B的的大小大小为为 B B=F Fm m/qvqvB B的的单位单位 :特斯拉特斯拉(T T)地磁场地磁场B B大约大约1010-4-4T T一、磁力一、磁力一、磁力一、磁力(洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力)注意：注意：磁感应强度是描述磁场本身性质的量，与磁感应强度是描述磁场本身性质的量，与 电荷无关。电荷无

5、关。7在磁场中运动的带电粒子受磁场力在磁场中运动的带电粒子受磁场力-洛仑兹力洛仑兹力：大小大小:F=q v B sin 方向方向如图如图,垂直于垂直于v、B构成的平面构成的平面.+q-q(显然当显然当=0时时F=0)二二二二 磁感应强度的叠加原理磁感应强度的叠加原理磁感应强度的叠加原理磁感应强度的叠加原理（磁场源）（磁场源）（磁场源）（磁场源）（磁场源）（磁场源）8磁感应线，磁感应线，I磁感应线是无头无尾磁感应线是无头无尾的的闭合曲线闭合曲线NS线线三三三三 磁感应线磁感应线磁感应线磁感应线 与与与与 磁通量磁通量磁通量磁通量9(1)(1)磁感应线是环绕电流的闭合曲线，无始磁感应线是环绕电流的

6、闭合曲线，无始无终无终;(2)(2)任何两条磁感应线在空间不会相交任何两条磁感应线在空间不会相交;(4)(4)磁感应线的方向与电流的流向遵磁感应线的方向与电流的流向遵守右手螺旋法则。守右手螺旋法则。(3)(3)磁感磁感应应线的疏密表示磁感应强度的大小，线的疏密表示磁感应强度的大小，切线方向表示磁感应强度的方向；切线方向表示磁感应强度的方向；磁力线性质磁力线性质I10 m=B SS S磁通量磁通量单位：单位：韦伯韦伯标量标量磁力线的总条数磁力线的总条数11穿过闭合曲面的磁通量穿过闭合曲面的磁通量规定外法线方向为正规定外法线方向为正磁力线穿出闭合面磁力线穿出闭合面磁力线穿入闭合面磁力线穿入闭合面B

7、Bnn 为正通量。为正通量。为负通量。为负通量。12磁场中的高斯定理磁场中的高斯定理 由于磁力线为闭合曲线，由于磁力线为闭合曲线，穿入穿出闭合面的磁力线根数穿入穿出闭合面的磁力线根数相同，正负通量抵消。相同，正负通量抵消。穿过闭合面的磁通量等于零。穿过闭合面的磁通量等于零。13磁场中的高斯定理阐明了磁场中的高斯定理阐明了磁场的性质：磁场的性质：磁场是无源场，磁力线为闭合曲线，磁场磁场是无源场，磁力线为闭合曲线，磁场是涡旋场是涡旋场.磁场与电场有本质的区别，电场是有源场磁场与电场有本质的区别，电场是有源场,电力线是发散的。电场是发散场。电力线是发散的。电场是发散场。141.磁感应强度磁感应强度：

8、2.磁力线的性质磁力线的性质3.磁通量磁通量 标量标量4.磁场中的高斯定律磁场中的高斯定律小结小结大小大小：B B B B=F F F Fm m m m/qvqvqvqv的的方向方向定义如图定义如图洛仑兹力：洛仑兹力：151.导体中形成电流的条件导体中形成电流的条件：在导体内有可以自由移动的电荷或叫载流子在导体内有可以自由移动的电荷或叫载流子 在导体两端要存在有电势差在导体两端要存在有电势差2.电流密度矢量电流密度矢量:3.电源电动势电源电动势4.欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式回顾回顾161.磁感应强度磁感应强度：2.磁力线的性质磁力线的性质3.磁通量磁通量 标量标量4.磁场中的高斯定律

9、磁场中的高斯定律回顾回顾大小大小：B B B B=F F F Fm m m m/qvqvqvqv的的方向方向定义如图定义如图洛仑兹力：洛仑兹力：17(1)粒子平行于磁场运动粒子平行于磁场运动+qq-q+q-RR(2)粒子垂直于均匀磁场运动粒子垂直于均匀磁场运动F=0,=0,匀速直线运动匀速直线运动.+qq-圆周轨道半径圆周轨道半径:运动一周的时间运动一周的时间:2.3 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动18(3)粒子以一定角度粒子以一定角度 进入均匀磁场进入均匀磁场+q h将速度分解为：将速度分解为：v/=sin ,v=cos(4)(4)粒子以一定角度粒子以一定角度 进入非均匀磁场进

10、入非均匀磁场磁约束磁约束19带电粒子在电场和磁场中运动受力：带电粒子在电场和磁场中运动受力：若无其它外力则有：若无其它外力则有：于是原则上可解出粒子的运动情况于是原则上可解出粒子的运动情况.带电粒子在电场和磁中运动的应用带电粒子在电场和磁中运动的应用20-eFPUII主要原理主要原理:带电粒子在均带电粒子在均匀磁场的运动周期匀磁场的运动周期:与粒子的速度无关与粒子的速度无关.应用应用:显象管内的电子磁聚焦显象管内的电子磁聚焦 ,实验室测量粒子比荷实验室测量粒子比荷q/m.一一一一 磁聚焦磁聚焦磁聚焦磁聚焦电子束：电子束：小发散角，磁场方小发散角，磁场方向速度基本相同，螺距相同向速度基本相同，螺

11、距相同hB螺距相同螺距相同21回旋加速器结构示意如图回旋加速器结构示意如图:在半圆形盒子中的运动时间在半圆形盒子中的运动时间粒子引出时的速度粒子引出时的速度:NS接震荡器接震荡器D2D1D2D1震荡器震荡器粒子束粒子束分析被加速粒子的电荷正负分析被加速粒子的电荷正负.粒子运动的轨道半径粒子运动的轨道半径:引出时的能量引出时的能量:二二二二 回旋加速器回旋加速器回旋加速器回旋加速器22实际上必须计入相对论效应实际上必须计入相对论效应,即即:因此为保证同步加速因此为保证同步加速,震荡器的频率震荡器的频率 要满足下式要满足下式在半圆形盒子中的运动时间在半圆形盒子中的运动时间:23用途用途:测量粒子的

12、测量粒子的m、q及及q/m（荷质比荷质比）等物理量）等物理量.速度选择器速度选择器应用例应用例:用铅同位素含量比例测量古生物年龄用铅同位素含量比例测量古生物年龄.最简单的质谱仪如图最简单的质谱仪如图:根据根据:+qRNA狭缝狭缝1 1狭缝狭缝2 2+-+-速度选择器速度选择器工作原理工作原理:得得:三三三三 质谱仪质谱仪质谱仪质谱仪24现象现象,霍尔效应霍尔效应,霍尔电势差霍尔电势差.V+-+V+-+实验表明实验表明:-qv-+qv+IbdIbdRH称为称为霍尔系数霍尔系数.理论推导理论推导:平衡时平衡时电流电流:2.4 霍尔效应霍尔效应 25讨论讨论1.由于导体内有大量的自由电荷，由于导体内

13、有大量的自由电荷，n 较大，较大，RH 较小，故导体的霍尔效应较弱。较小，故导体的霍尔效应较弱。2.半导体界于导体与绝缘体之间，其内的自由半导体界于导体与绝缘体之间，其内的自由电荷较少，电荷较少，n 较小，较小，RH 较大，故半导体的霍较大，故半导体的霍尔效应显著。尔效应显著。26霍尔效应的应用霍尔效应的应用:测量磁感应强测量磁感应强度、电流，半导体类型判别等度、电流，半导体类型判别等.磁流体发电的构想磁流体发电的构想:等离子体流通过磁场等离子体流通过磁场,其中的正负电其中的正负电荷向相反方向运动荷向相反方向运动.-qv-+qv+-SN发电通道发电通道导电气体导电气体27实验表明实验表明,载流

14、导线在磁场受力载流导线在磁场受力I I-q+q2.5 载流导线在磁场受的力载流导线在磁场受的力 安培力安培力电流元：电流元：导线截面积导线截面积S，电流电流I，长度长度dl.电流元的电流元的方向：规定为电流方向方向：规定为电流方向安培力：安培力：载流导线受磁场的作用力载流导线受磁场的作用力28 导线中的电流是由其中的载导线中的电流是由其中的载流子定向移动形成的，当把载流流子定向移动形成的，当把载流导线置于磁场中时，这些运动的导线置于磁场中时，这些运动的载流子受到洛伦兹力作用载流子受到洛伦兹力作用安培力的产生原因安培力的产生原因:实际计算中实际计算中,用力的用力的分量式分量式积分积分.I I-q

15、+q一段载流导线一段载流导线L在磁场受力在磁场受力:注意：注意：载流导体受到的载流导体受到的安培力安培力是大量运动电荷受到的是大量运动电荷受到的 洛仑兹力的宏观表现洛仑兹力的宏观表现。I其中其中 29例例：载流导线载流导线（R，I）在磁场在磁场B B中所受中所受 到的力？到的力？x0y解：解：由对称性分析由对称性分析 你能得到什么你能得到什么结论结论？方向：方向：+y30载流线圈在磁场中如图：载流线圈在磁场中如图：Il1 .受力：受力：力矩：力矩：力矩矢量：力矩矢量：其中线圈的其中线圈的磁矩磁矩：一般式：一般式：适用于在均匀磁场中任何形状的线圈适用于在均匀磁场中任何形状的线圈.l1l2磁场对载

16、流线圈的磁场对载流线圈的作用作用磁磁 矩矩面方向与电流的流向符合右手螺旋关系面方向与电流的流向符合右手螺旋关系31试分析下述情况：试分析下述情况：.I I.I总结载流线圈在磁场中运动的规律：总结载流线圈在磁场中运动的规律：.=0,M=0 =,M=0作用在线圈上的磁力与力矩均不为零：作用在线圈上的磁力与力矩均不为零：载流线圈在非均匀磁场中：载流线圈在非均匀磁场中：,M=Mmax32例例：求求M？向里向里xyIrR解：解：1.微元迭加法微元迭加法注意：各注意：各电流元电流元产生的产生的力矩元力矩元的方向相同。的方向相同。方向：方向：+y2.由由33圆周轨道半径圆周轨道半径:运动一周的时间运动一周的

17、时间:带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动1.1.1.1.洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力小结小结34带电粒子在电场和磁场中运动受力：带电粒子在电场和磁场中运动受力：若无其它外力则有：若无其它外力则有：原则上可解出粒子的运动情况原则上可解出粒子的运动情况.2.2.霍尔效应霍尔效应 霍尔系数霍尔系数霍尔电势差霍尔电势差35载流导线在磁场受力载流导线在磁场受力3.3.载流导线在磁场受的力载流导线在磁场受的力 安培力安培力电流元的方向：规定电流方向电流元的方向：规定电流方向用力的用力的分量式分量式积分积分.一段载流导线一段载流导线L在磁场受力在磁场受力:I36载流线圈在磁场中的力矩矢量载流线圈在磁场中的力矩矢量其中线圈的磁矩：其中线圈的磁矩：一般式：一般式：适用于在均匀磁场中任何形状的线圈适用于在均匀磁场中任何形状的线圈.4.4.磁场对载流线圈的作用磁场对载流线圈的作用磁磁 矩矩面方向与电流的流向符合右手螺旋关系面方向与电流的流向符合右手螺旋关系37作业：作业：P22626 28 34 3638