大学物理学：10-3磁场3zk.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.,磁感应强度的定义：,(1),大小,:,B,=,F,m,/q,v,(2),方向,:,磁场的方向,即小磁针,N,极的指向,2.,毕奥,萨伐尔定律：,3.,磁场叠加原理：,或,上次课内容复习,4.,几种常见电流的磁场分布规律,(1),直线电流的磁场,有限长：,无限长：,1,2,P,I,(2),圆形电流的磁场,轴线上一点处：,圆心处：,(3),载流直螺线管的磁场,无限长：,(4),运动电荷产生的磁场,安培环路定律,由安培环路定理可解一些典型的场,均匀载流长直圆柱体：,均匀载流长直圆柱面：,载流长直螺绕环：,无限大均匀载流平面：,B,内,=0,有一无限长通电流的扁平铜片，宽度为,a,，厚度不计，电流,I,在铜片上均匀分布，在铜片外与铜片共面，离铜片右边缘为,b,处的,P,点,(,如图,),的磁感强度,如图所示，通电无限长直同轴空心圆筒电缆，内外筒半径分别为,R,1,，,R,2,，,筒壁厚可以略去。,电流,I,沿内筒流去，沿外筒流回。试问下面哪个的磁场分布图是正确的？,o,o,o,A.,B.,C.,D.,o,#1a0601014a,R,2,I,R,1,I,II,i,i,I,III,A.,B.,C.,D.,如图所示,两无限大均匀载流平面，在垂直于电流流向的方向上，单位长度的电流为,i,。试写出,I,、,II,、,III,三个区域内的磁感应强度,B,的表达式，并指出其方向。,#1a0601013b,10-4-1,磁场对带电粒子的作用,10-4-2,霍耳效应,10-4-3,载流导线在磁场中的受力 安培定律,10-4-4,磁场对载流线圈的力矩,本节内容：,10-4,恒定磁场中带电粒子,的,运动,在磁场中运动的带电粒子受磁场力,-,洛仑兹力：,大小,:,F,=,q,v,sin,方向垂直于,v,、,B,构成的平面。,+,q,10-4-1,磁场对运动,的,带电粒子的作用,q,+,(1),F,=0,，匀速直线运动,.,q,-,带电粒子在均匀磁场中的运动,圆周轨道半径,:,运动一周的时间,:,q,+,（,2正电荷,负电荷,q,+,R,顺时针,R,q,-,逆时针,q,-,-,研究物质同位素的装置。测量物质的,q/m,等物理量.,速度选择器,应用例: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:,根据:,+,q,R,N,A,狭缝,1,狭缝,2,+,+,+,+,-,-,-,-,+,-,速度选择器工作原理:,得:,质谱仪,胶片,F,e,F,m,回旋加速器,N,S,接震荡器,D,2,D,1,D,2,D,1,震荡器,粒子束,N,D,1,D,2,S,.,.,.,.,震荡器,粒子束,R,问：当粒子的速率太大时，上述回旋加速器的原理是否适用？为什么？,回旋加速器的原理,同步,回旋加速器一般用来加速较大质量的粒子，如质子，氘核，等,与 不垂直,螺距,(3)粒子以一定角度,进入均匀磁场,将速度分解为：,v,/,=,v,cos,v,=,v,sin,，圆周运动,粒子沿磁场方向螺旋运动,匀速直线运动,螺距与仅速度,v,/,有关！,周期与速度无关！,-,e,F,P,U,磁聚焦,I,I,带电粒子在非均匀磁场中的运动,磁镜（或磁塞）,在磁场较强的地方，回旋半径较小。如图，它们在非均匀磁场中所受洛伦兹力恒有一指向磁场较弱方向的分量阻碍其继续前进，就象遇到反射镜一样。这种强度逐渐增强的会聚磁场称为磁镜。,磁约束现象,非均匀磁场具有轴对称分布，中间区域的磁场较弱，两端的磁场较强。因为带电粒子能被束缚在这类磁场中，这种磁场有时称为磁束,1879,年，霍耳发现在均匀磁场中置一矩形截面的载流导体，若电流方向与磁场方向垂直，则导体在垂直于电流又垂直于磁场的方向上出现电势差，称为,霍耳电势差,，这一现象叫做,霍耳效应,.,实验表明,:,写成,:,R,H,称为,霍尔系数。,V,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,I,b,d,10-4-2,霍耳效应,理论推导,:,霍耳电势差的形成可以用电荷在洛伦兹力作用下的偏转来解释,.,电流,:,平衡时,:,-e,v,-,V,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,I,b,d,-,-I,b,d,锗常用于制作霍尔元件。如图，在一块锗板两端施加电压，锗板内,电子,的运动形成电流，然后将锗板置于一磁场内，磁场方向由你确定，问：若想使锗板面向你的一面带正电，背对你的一面带负电，你该如何确定磁场方向？,由垂直纸面向里,由垂直纸面向外,在纸面内向右,在纸面内向左,在纸面内向下,在纸面内向上,#1a0602004b,如图所示，一块长方形半导体样品的厚度、宽度和长度分别为,a,，,b,，,c,，,沿,x,轴的正向流有电流,I,，在,z,轴,正,方向加有均匀磁场,B,。这时实验半导体片两侧的电势,差,U,AA,0,，这半导体是,A.,正电荷导电（,P,型）,B.,负电荷导电（,N,型）,C.,以上都不对,I,A,c,z,y,b,a,B,x,#1a0601015b,+,+,+,+,+,+,+,+,n,型半导体,p,型半导体,区分半导体材料,霍耳系数的正负与载流子电荷性质有关,通过霍尔电势差的测量，可以得到载流子的数密度和种类，这在半导体材料测试中是常用的。,通过霍尔电势差测量磁感应强度。,实验发现有些金属的霍尔系数为正值，它揭示了金属导电的经典电子理论是有缺陷的。,对霍尔效应要用量子理论才能圆满的解释。,磁场对载流导线的作用力称为,安培力,。,大小：,方向：,安培力,任意形状载流导线在外磁场中受到的安培力,讨论,安培定律是矢量表述式,(A.M.Ampere),10-4-3,磁场对载流导线的作用,安培定律,x,0,y,一段载流导线,L,在磁场受力,:,实际计算中,要化为分量积分,.,，方向与棒垂直向上,，方向垂直纸面向里,0,，方向垂直纸面向外,在一均匀磁场,B,中，有一直导线,ab,，电流为,i,。如图所示，则它所受的磁场力大小和方向为,#1a0602023a,例,在均匀磁场中放置一半径为,R,的半圆形导线，电流强度为,I,，导线两端连线与磁感强度方向夹角,=30,求此段圆弧电流受的磁力。,=30,解：,在电流上任取电流元,场均匀，,B,是常数，可以提出积分号外,方向,在一均匀磁场,B,中，有一任意弯曲导线,ab,，,ab,的长度为,S,。电流为,i,。如图所示，则它所受的磁场力大小为,#1a0602023b,均匀磁场,中任意弯曲载流导线所受的磁场力,=,相同电流的直导线,均匀磁场,中任意,闭合,导线所受的,磁场力,=0,所受的磁场力,非均匀磁场,中任意,闭合,导线所受的,磁场力,不等于,0,！,A.,B.,，方向向上,C.,，方向向下,D.,，方向向上,E.,，方向向下,如图所示形状的导线，通有电流,I,，放在一与均匀磁场,B,垂直的平面上，则此导线受到的磁场力的大小和方向分别为：,#1a0602017a,a,B,I,o,a,b,c,A.,B.,C.,D.,无法计算E.,以上都不对,如图所示，在真空中有一半径为,a,的,3/4,圆弧形的导,线，其中通以稳定电流,I,，导线置于均匀外磁场中，,且与导线所在平面垂直,.,则该载流导线所受的磁力大,小为：,#1a0602017b,I,I,d,l,x,I,解：,方向为沿,x,轴负向,x,非均匀磁场,中任意,闭合,导线所受的,磁场力,不等于,0,！,I,1,I,2,A,B,C,D,d,l,2,d,l,1,d,_,电流单位,“,安培,”,的定义,例：平行载流导线间的相互作用力,载流导线,AB,单位长度,所受的力,:,平行反向载流导线,之间,的力会怎样,(,方向、大小,)?,电流单位,“,安培,”,定义如下,:,真空中当两无限长圆形截面平行载流导线相距,1m,通有相同电流,单位长度的相互作用力为,2,10,7,N,时,导线内电流为,1,安培,.,验证如下,:,当,I,1,=,I,2,=1A,A,I,1,I,2,B,C,D,d,l,2,d,l,1,10-4-4,磁场对载流线圈的力矩,受力：,力矩：,力矩矢量：,-,线圈法线方向,边长为,l,1,的两条边,所受合力、合力矩均为零；,边长为,l,2,的两条边,所受合力为零、合力矩不为零；,分析四条边,所受合力：,10-4-4,磁场对载流线圈的力矩,其中线圈的磁矩：,公式：,总结：,载流线圈,在,均匀,磁场中,合力,力矩,对于,匀强磁场,中,任意形状,的平面线圈均成立；,而且，对于带电粒子沿闭合回路运动以及带电粒子自旋磁矩被看成为载流线圈时所受到的磁力矩也适用。,=90,M,=,M,max,力矩使 减小,在,非均匀,磁场中：,作用在线圈上的磁力与力矩均不为零,如图所示，半径分别为,R,1,和,R,2,的两个半圆弧与直径,的两小段构成的通电线圈,abcda,，则线圈的磁矩为,A.,，方向向下,B.,，方向向上,C.,，方向垂直导线平面向外,D.,，方向垂直导线平面向里,#1a0602022a,如图所示，半径分别为,R,1,和,R,2,的两个半圆弧与直径的两小段构成的通电线圈,abcda,，将它放在磁感应强度为,B,的均匀磁场中，,B,平行于线圈所在的平面则线圈所受到的磁力矩的方向为：,A.,方向向下,B.,方向向上,C.,方向垂直导线平面向外,D.,方向垂直导线平面向里,#1a0602022b,氢原子中，电子绕原子核沿半径为,R,的圆周运动，它等效于一个圆形电流设电子质量为,m,e,，电子电荷的绝对值为,e,。,若已知,绕核运动的速度为,v,其等效圆电流的磁矩大小,p,m,与电子轨道运动的动量矩,(,角动量,),大小,L,之比,+,-,R,v,#1a0602006a,e,氢原子中，电子绕原子核沿半径为,R,的圆周运动，它等效于一个圆形电流设电子质量为,m,e,，电子电荷的绝对值为,e,。,若电子绕原子核的速度是未知的,如果外加一个磁感应强度为,B,的磁场，其磁感应线与轨道平面平行，那么这个圆电流所受的磁力矩的大小,M,+,-,R,#1a0602006d,1.,运动电荷,2.,载流导线,3.,载流线圈在均匀磁场中,磁场施力于,与前面知识点的区别：,q,Id,l,不是场源，,B,是除,q,Id,l,以外的外磁场，在此处实际上是忽略了,q,Id,l,所激发的磁场。,本讲主要内容：,2,有磁介质时磁场的环路定理,1,磁介质,3,铁磁质,10-5,物质的磁性,真空时测得的值。,在介质均匀充满磁场的情况下,:,相对磁导率,顺磁质,(,如铝，锰，铬，铂）,抗磁质（如铋、汞，铜，银，金）,铁磁质（铁，镍，钴等）,实验：将长直螺旋管内充满介质和真空情况下对比。,保持电流不变，测出两情形下的管内磁感应强度：,介质充满后的磁场随磁介质的种类或状态不同而不同。,10-5-1,磁介质,N,S,悬丝,强磁铁的两极,小块材料,一块铋的小圆柱会被尖极轻微排斥；,一块铝的小圆柱会则会被尖极吸引。,顺磁质,抗磁质,磁介质,稳恒磁场,磁介质磁化,磁介质,表面,产生,磁化电流,I,磁介质,内部,产生,磁极化场,10-5-2,有磁介质时磁场的环路定理,传导,有介质时的环路定理,:,三者的关系,普遍情形：,对于各向同性的磁介质：,H,为磁场强度,磁场强度,H,沿任意闭合路径的环流，等于闭合回路所包围的并穿过的传导电流的代数和。,有磁介质时的安培环路定理的应用,磁场分布的对称性,半径为,R,1,的无限长圆柱面上,均匀通有电流,I,外面有半径为,R,2,的同轴圆柱,面,通反向电流,I,两导体之间充满磁导率为,的磁介质,则在 磁场,R,1,R,2,I,I,#1a0603025b,例：,求：磁场的分布,.,解,:(1),在圆柱面和圆柱体间,取回路,L,1,I,L,1,R,1,R,2,I,r,I,(2),在圆柱体内,取回路,L,2,.,L,2,r,场分布具有轴对称,(3),在圆柱面外,取回路,L,3,.,R,2,R,1,L,3,1.,r,1,可使原场大幅度增加,2.,r,与磁化历史有关,B-H,非线性,3.,磁滞现象,铁磁质的宏观性质,4.,居里温度,10-5-3,铁磁质,自发磁化区域,磁畴,磁化,铁磁质,(1),产生特别强,(,可达千倍,),的附加磁场,B,B B,0,.,(2),同一铁磁质,B,与,H,的比值不是常量,.,(3),铁磁质具有磁滞特性,.,即外磁场撤去后,仍会保留 部分磁性,.,(4),一定的铁磁质存在某个临界温度,(,居里点,),材料的磁性发生突变,温度高于居里点,铁磁性消失,成为顺磁质,.,铁磁材料,1.,软磁材料,:,矫顽力,H,c,小,磁滞损耗低,容易退磁,.,O,H,B,软磁材料适于制作电磁铁,.,硬磁材料适于制作永磁铁,.,2.,硬磁材料,:,矫顽力,H,c,大,剩磁,B,r,也大,不易退磁,.,O,H,B,*,作变压器的,软磁材料,。,纯铁，硅钢坡莫合金,(,Fe,，,Ni,),，铁氧体等。,还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。,*钨钢，碳钢，铝镍钴合金,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。,