大学物理磁场对对运动电荷及载流导线的作用解读ppt课件

同学们好同学们好！同学们好！1第四节第四节 磁场对运动电荷及电流的作用磁场对运动电荷及电流的作用一一.洛仑兹力洛仑兹力1.磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用2.带电粒子在电磁场中的运动带电粒子在电磁场中的运动3.霍耳效应霍耳效应四种应用四种应用二二.安培定律安培定律三三.磁力的功磁力的功安培力安培力 第四节 磁场对运动电荷及电流的作用一.洛仑兹力1.磁场对2一一 带电粒子在电场和磁场中所受的力带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力电场力磁场力磁场力（洛仑兹力洛仑兹力）+运动电荷在电场和磁场中受的力运动电荷在电场和磁场中受的力广义洛仑兹力广义洛仑兹力方向：即以右手四指方向：即以右手四指 由经小于由经小于 的角弯向的角弯向 ，拇，拇指的指向就是正电荷所受指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向洛仑兹力的方向.特点：特点：不改变不改变 大小，只改变大小，只改变 方向，不对方向，不对 做功。做功。一 带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力磁场力（洛仑兹力3指出下列各情形里带电粒子受力的方向：+指出下列各情形里带电粒子受力的方向：+42.带电粒子在电磁场中的运动带电粒子在电磁场中的运动匀强电场匀强电场匀强电场匀强电场匀强磁场匀强磁场匀强磁场匀强磁场与与 夹夹 角角匀速匀速直线直线运动运动与与 夹夹 角角匀速率圆周运动匀速率圆周运动等螺距螺旋线运动等螺距螺旋线运动匀变速匀变速直线运动直线运动类平抛类平抛类斜抛类斜抛2.带电粒子在电磁场中的运动匀强电场匀强磁场与 夹 5大学物理磁场对对运动电荷及载流导线的作用解读ppt课件6大学物理磁场对对运动电荷及载流导线的作用解读ppt课件7大学物理磁场对对运动电荷及载流导线的作用解读ppt课件8a)质谱仪质谱仪质谱分析：质谱分析：谱线位置：同位素质量谱线位置：同位素质量谱线黑度：相对含量谱线黑度：相对含量应用：应用：应用：应用：滤速器滤速器速度选择器速度选择器 照相底片照相底片a)质谱仪质谱分析：谱线位置：同位素质量谱线黑度：相对含量9b b）磁聚焦）磁聚焦带电粒子作不同半径的螺旋线运动，螺距带电粒子作不同半径的螺旋线运动，螺距 h h 近似相等，近似相等，带电粒子经过距离带电粒子经过距离h h又重新汇集又重新汇集磁聚集。磁聚集。均匀磁场均匀磁场，且且 很小：很小：磁透镜磁透镜 电子显微镜电子显微镜 应用：应用：b）磁聚焦带电粒子作不同半径的螺旋线运动，螺距 h 近似相等10大学物理磁场对对运动电荷及载流导线的作用解读ppt课件11纵向：非均匀磁场纵向：非均匀磁场反射反射磁镜磁镜磁瓶：离子在两磁镜间振荡。磁瓶：离子在两磁镜间振荡。IIc c）磁约束：）磁约束：纵向：非均匀磁场反射磁镜磁瓶：离子在两磁镜间振荡。IIc）12d)d)回旋加速器回旋加速器 19321932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 D型室型室(直径直径27cm).27cm).此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV1MeV的能量，为此的能量，为此19391939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.d)回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋13 回旋加速器是一种获得回旋加速器是一种获得高速粒子的装置，其基高速粒子的装置，其基本原理是利用了回旋频本原理是利用了回旋频率与粒子速度无关的性率与粒子速度无关的性质。其核心部分是两个质。其核心部分是两个D形盒，它们是密封在真形盒，它们是密封在真空中的两个半圆形金属空中的两个半圆形金属空盒，放在电磁铁两极空盒，放在电磁铁两极之间的强大磁场中，磁之间的强大磁场中，磁场的方向垂直于场的方向垂直于D形盒的形盒的底面。两个底面。两个D形盒之间留形盒之间留有窄缝，中心附近放置有窄缝，中心附近放置粒子源。粒子源。回旋加速器是一种获得高速粒子的装置，其基本原理是利用了回14 在两个在两个D形盒之间接有交流电源，它在缝形盒之间接有交流电源，它在缝隙里形成一个交变电场用以加速带电粒子。试隙里形成一个交变电场用以加速带电粒子。试分析回旋加速器的基本工作原理。分析回旋加速器的基本工作原理。解解：缝隙中的交变电缝隙中的交变电场以不变的回旋共振周场以不变的回旋共振周期期 往返往返变化，便可保证离子每变化，便可保证离子每次经过缝隙时受到的电次经过缝隙时受到的电场力都使它加速。场力都使它加速。在两个D形盒之间接有交流电源，它在缝隙里形成15 目前世界上最大的回旋加目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为环形管道的半径为2公里。产公里。产生的高能粒子能量为生的高能粒子能量为5000亿亿电子伏特。电子伏特。世界第二大回旋加速器在世界第二大回旋加速器在欧洲加速中心，加速器分布欧洲加速中心，加速器分布在法国和瑞士两国的边界，在法国和瑞士两国的边界，加速器在瑞士，储能环在法加速器在瑞士，储能环在法国。产生的高能粒子能量为国。产生的高能粒子能量为280亿电子伏特。亿电子伏特。目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，16 我国于我国于1994年建成的第一年建成的第一台强流质子加速器台强流质子加速器，可产，可产生数十种中短寿命放射性生数十种中短寿命放射性同位素同位素.中国第一台回旋加速器中国第一台回旋加速器（19581958年年 ）我国于1994年建成的第一台强流质子加速器，可产生数十种17解解 定性分析定性分析q在电磁场中的运动：在电磁场中的运动：磁场使粒子匀速率圆周运动，磁场使粒子匀速率圆周运动，电场使粒子沿电场使粒子沿+x方向匀加速直线运动方向匀加速直线运动由对称性原理：轨道为平面曲线由对称性原理：轨道为平面曲线不与板相碰：不与板相碰：板板 例例例例 已知：已知：在在P点不与板相碰点不与板相碰求求:P点轨道曲率半径点轨道曲率半径rPA处处以以 入射入射解 定性分析q在电磁场中的运动：磁场使粒子匀速率圆周运动，18q在任意位置在任意位置Q和位置和位置P受力如图受力如图P点法向方程点法向方程(1)过程能量方程过程能量方程(2)由由 得：得：(1)(2)q在任意位置Q和位置P受力如图P点法向方程(1)过程能量方程193.3.霍霍耳耳效效应应(1)现象：现象：导体中通电流导体中通电流I，磁场，磁场 垂直于垂直于I，在既，在既垂直于垂直于I，又垂直于，又垂直于 方向出现电势差方向出现电势差 U。3.霍耳效应(1)现象：导体中通电流I，磁场 垂20(2)用电子论解释用电子论解释载流子载流子q=-e，漂移速率，漂移速率方向向上，形成方向向上，形成(2)用电子论解释载流子q=-e，漂移速率方向向上，形21霍耳效应与载流子电荷正负的关系霍耳效应与载流子电荷正负的关系霍耳效应与载流子电荷正负的关系22(3)应用：应用：测载流子密度测载流子密度 测载流子电性测载流子电性 半导体类型半导体类型 测磁场测磁场 (霍耳元件霍耳元件)磁流体发电磁流体发电 量子霍耳效应量子霍耳效应(3)应用：测载流子密度 测载流子电性 半导体类23安培力24二二.安培定律安培定律安培力：安培力：1.电流元受磁场力作用的规律电流元受磁场力作用的规律2.载流导线所受磁场力载流导线所受磁场力3.载流线圈所受磁力矩载流线圈所受磁力矩设均匀磁场，矩形线圈设均匀磁场，矩形线圈()()二.安培定律安培力：1.电流元受磁场力作用的规律2.载25大学物理磁场对对运动电荷及载流导线的作用解读ppt课件26IB.IBB+I稳定平衡稳定平衡不不稳定平衡稳定平衡讨讨 论论1）方向与方向与 相同相同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IB.IBB+27 结论结论:均匀均匀磁场中，任意形状磁场中，任意形状刚刚性闭合性闭合平面平面通电线圈所受的力和力矩为通电线圈所受的力和力矩为0pqq=稳定稳定平衡平衡非稳定非稳定平衡平衡非均匀磁场中：非均匀磁场中：不但转动，还要平动，不但转动，还要平动，移向移向 较强的区域。较强的区域。结论:均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线28例一例一例一例一.均匀磁场中弯曲导线所受磁场力均匀磁场中弯曲导线所受磁场力方向方向均匀磁场中，弯曲载流导线所受磁场力与从起点到均匀磁场中，弯曲载流导线所受磁场力与从起点到终点间载有同样电流的直导线所受的磁场力相同。终点间载有同样电流的直导线所受的磁场力相同。其所受安培力其所受安培力在导线上取电流元在导线上取电流元例一.均匀磁场中弯曲导线所受磁场力方向均匀磁场中，弯曲载流29练习：练习：练习：练习：方向向右方向向右受力受力1.求电流在均匀磁场中所受的力求电流在均匀磁场中所受的力练习：方向向右受力1.求电流在均匀磁场中所受的力30磁矩、磁力矩的定义磁矩、磁力矩的定义见教材见教材P61P61磁矩、磁力矩的定义31 例例例例3 3 3 3 已知：已知：（为常数）为常数）求：求：解：解：在带电圆盘上取半径在带电圆盘上取半径 ，宽，宽 的圆环。的圆环。例3 已知：（为常数）求：解：在带电圆32大小大小 ：方向向上方向向上大小：方向向上33三三.磁力的功磁力的功(I为恒量为恒量)使使三.磁力的功(I为恒量)使34磁力的功磁力的功=电流强度电流强度 穿过回路磁通量增量穿过回路磁通量增量 =电流强度电流强度 载流导线切割磁力线条数载流导线切割磁力线条数推广：推广：练习：练习：1，A绕绕CD向纸外转向纸外转/2 1)A=02 2，C C绕绕ADAD向纸内转向纸内转/2/2磁力的功=电流强度 穿过回路磁通量增量推广：练习：35第第5 5节节 磁介质磁介质物质物质 原子，分子中均存在运动电荷原子，分子中均存在运动电荷磁场磁场相互作用相互作用物质物质 磁介质磁介质顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质铁磁质铁磁质与电介质类比与电介质类比 磁介质：在磁场作用下发生变化，并能磁介质：在磁场作用下发生变化，并能反过来影响磁场的物质。反过来影响磁场的物质。录像录像第5节 磁介质物质 原子，分子中均存在运动电荷磁场相互36顺磁质和抗磁质顺磁质和抗磁质电介质电介质磁介质磁介质分子分子模型模型分类分类电偶极子电偶极子分子分子电流电流分子中所有电子，原子核分子中所有电子，原子核固有磁矩的等效电流固有磁矩的等效电流有极分子有极分子电电 介介 质质无极分子无极分子电电 介介 质质顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质无外磁场：无外磁场：顺顺磁磁质质抗抗磁磁质质顺磁质和抗磁质电介质磁介质分子模型分类电偶极子分子分子中所有37宏观效果宏观效果1.介质中总磁矩不为零介质中总磁矩不为零顺磁质顺磁质与与 同向同向抗磁质抗磁质与与 反向反向外场中：外场中：磁化磁化宏观效果1.介质中总磁矩不为零顺磁质与 同向抗磁质与 382.介质表面出现磁化电流介质表面出现磁化电流顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质2.介质表面出现磁化电流顺磁质抗磁质39描述方法描述方法磁化电流：磁化电流：定义磁化强度：定义磁化强度：以抗磁质为例以抗磁质为例描述方法磁化电流：定义磁化强度：以抗磁质为例40均产生与均产生与 反向的附加磁矩反向的附加磁矩抗磁质：只有抗磁质：只有顺磁质：转向顺磁质：转向 +附加磁矩附加磁矩转向极化转向极化位移极化位移极化极化强度：极化强度：极化电荷：极化电荷：磁化磁化强度：强度：抗：抗：与与 反向反向顺：顺：与与 同向同向电介质电介质电介质电介质磁介质磁介质磁介质磁介质与场相互与场相互与场相互与场相互作用机制作用机制作用机制作用机制描描描描 述述述述磁化电流：磁化电流：均产生与 反向的附加磁矩抗磁质：只有顺磁质：转向 41磁场强度磁场强度 的引入的引入安培环路定理：安培环路定理：令令磁场强度磁场强度与空间与空间 均有关。均有关。介质中的安培环路定理介质中的安培环路定理传导电流传导电流磁化电流磁化电流磁场强度 的引入安培环路定理：令磁场强度与空间 42对各向同性磁介质：对各向同性磁介质：磁化率磁化率只与穿过只与穿过 的传导电流代数和有关的传导电流代数和有关.介质中的安培环路定理介质中的安培环路定理由由介质相对磁导率介质相对磁导率介质磁导率介质磁导率对各向同性磁介质：磁化率只与穿过 的传导电流代数和有关.43电介质电介质电介质电介质磁介质磁介质磁介质磁介质介质中介质中介质中介质中的的的的 场场场场基本规律基本规律基本规律基本规律电位移矢量：电位移矢量：介质中的高斯定理：介质中的高斯定理：磁场强度磁场强度:介质中的安培环路定理介质中的安培环路定理:电介质磁介质介质中基本规律电位移矢量：介质中的高斯定理：磁场44电介质电介质电介质电介质磁介质磁介质磁介质磁介质其它对应其它对应其它对应其它对应关关关关 系系系系求解思路求解思路求解思路求解思路(1)对称性分析，对称性分析，选高斯面选高斯面(2)由由 求求(3)由由 求求(1)对称性分析，选安培环路对称性分析，选安培环路(2)由由 求求(3)由由 求求电介质磁介质其它对应求解思路(1)对称性分析，(2)由45解：解：对称性分析对称性分析 选如图同心圆环为安培环路选如图同心圆环为安培环路例例例例：已知：已知：正方形截面螺绕环正方形截面螺绕环求：求：解：对称性分析 例：已知：正方形截面螺绕环求：46代入数据：代入数据：得：得：很大且与很大且与 有关，非常数，说明该磁介质非顺磁质，有关，非常数，说明该磁介质非顺磁质，也非抗磁质，而是铁磁质。也非抗磁质，而是铁磁质。代入数据：得：很大且与 有关，非常数，说明该磁介质非顺47顺磁质顺磁质非常数，铁磁质非常数，铁磁质抗磁质抗磁质设真空中原来磁场的磁感应设真空中原来磁场的磁感应强度为强度为B0，放入磁介质后，放入磁介质后，磁介质因磁化而使磁介质的磁介质因磁化而使磁介质的磁感应强度变为磁感应强度变为B，令令 ，称，称 为相对磁导率。为相对磁导率。当当 ，顺磁质，顺磁质 ，抗，抗磁质磁质 ，铁，铁磁质磁质顺磁质非常数，铁磁质抗磁质设真空中原来磁场的磁感应强度为B048