磁力与电荷的运动课件

14-3 磁力与电荷的运动14-4 磁场与磁感应强度14-5 带电粒子在磁场中的运动14-6 霍尔效应14-7 载流导线在磁场中受的力和力矩14-3 磁力与电荷运动磁力与电荷运动l人们发现磁现象已有两千五百多年一.磁现象l吕氏春秋吕氏春秋:“慈石召铁慈石召铁”-磁石吸铁性质l韩非子有度：“司南”-磁石琢磨成的指南针 l11世纪，沈括制造了航海用的指南针，并在梦溪笔谈中作了详细的记载l材料：材料：F天然磁铁矿石：天然磁铁矿石：四氧化三铁四氧化三铁(Fe3O4)F人工磁铁：人工磁铁：氧化铁氧化铁(Fe2O3)与一种或多与一种或多种二价金属氧化物种二价金属氧化物(CuO，MnO,BaO等等)的粉末混合高温烧结而成的粉末混合高温烧结而成14-314-3 l磁现象磁现象磁性：磁性：可吸引铁，镍，钴等物质可吸引铁，镍，钴等物质磁极：磁极：两端处磁性最强两端处磁性最强磁力：磁力：磁极同性相斥，异性相吸磁极同性相斥，异性相吸指向：指向：悬挂的条形磁铁会自动地转向悬挂的条形磁铁会自动地转向南北方向，指向北方的磁极为北极南北方向，指向北方的磁极为北极(N)，指向南方的磁极为南极，指向南方的磁极为南极(S)14-3 14-3 l二二.几个重要实验几个重要实验l实验一实验一(奥斯特奥斯特)F揭示出电流可对磁针施加作用力l实验二(安培)F揭示出磁铁会对电流施加作用力14-314-3l实验三(安培)F揭示出载流导线之间有相互作用力相互吸引相互排斥14-3 14-3 三三.安培分子电流假说安培分子电流假说l安培分子电流观点：安培分子电流观点：物质的每个分子物质的每个分子都存在着回路电流都存在着回路电流-分子电流分子电流l结论：磁现象的本源是电荷的运动l分子电流作定向排列，则宏观上就会显现出磁性来14-3 14-3 l一、磁作用通过磁场进行一、磁作用通过磁场进行磁场运动电荷(电流)运动电荷(电流)磁场磁铁磁铁电流电流14-4 14-4 14-4磁场磁感应强度讨论：讨论：无无论论电电荷荷静静止止还还是是运运动动，都都会会激激发发电电场场，所以所以电荷间都存在库仑作用电荷间都存在库仑作用运运动动的的电电荷荷才才会会激激发发磁磁场场，即即只只有有运运动电荷之间才存在磁的相互作用动电荷之间才存在磁的相互作用 二、二、.磁感应强度磁感应强度场中各点都有一特定方向，电荷沿该方向(或其反方向)运动时，电荷不受磁力作用l速度为 的电荷q进入磁场中则-为该点处的磁场方向运动电荷受到的磁力方向总是同时垂直于电荷运动方向和磁场方向磁力与电荷电量磁力与电荷电量q、电荷运动速率、电荷运动速率v及及电荷运动方向与磁场方向间的夹角电荷运动方向与磁场方向间的夹角 有有关，满足关，满足l定义：-磁感应强度的大小单位：特斯拉(T)或l磁感应强度是矢量14-4 14-4 三三.磁力线磁力线(磁感应线磁感应线)l规定：规定：曲线上任一点的切线方向为该点处的曲线上任一点的切线方向为该点处的磁场方向磁场方向通过某点垂直于 的单位面积的磁力线数(磁力线密度)为该点 的大小l与电力线的区别：磁力线是一系列围绕电流、首尾相接的闭合曲线14-4 14-4 14-4 14-4 四、磁通量:v通过某面积的磁通量的定义通过某面积的磁通量的定义:国际单位制：韦伯 一一.洛仑兹力洛仑兹力-洛仑兹力F常表示为l14-5 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动 讨论讨论:洛仑兹力与电荷运动方向垂直，即它洛仑兹力与电荷运动方向垂直，即它对运动电荷不作功。它只改变电荷的对运动电荷不作功。它只改变电荷的运动方向，而不改变运动速度的大小运动方向，而不改变运动速度的大小空间中存在电场和磁场时，运动电荷空间中存在电场和磁场时，运动电荷受力受力14-514-5 l设设带带电电粒粒子子q以以初初速速 进进入均匀磁场入均匀磁场二.带电粒子在磁场中的运动 ：:作匀速直线运动在垂直于磁场的平面内作匀速圆周运动周期14-514-5 与 斜交：-平行于磁场匀速运动-垂直于磁场作匀速圆周运动回旋半径螺距l运动轨迹为螺旋线14-514-52、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v带电粒子也要做螺旋运动，但半径带电粒子也要做螺旋运动，但半径和螺距都要不断地变化。和螺距都要不断地变化。qB非匀强磁场对运动的带电粒子的作用力磁瓶一、.霍耳效应l霍耳效应：载流导体薄板放入与板面垂直的磁场中，板上下端面间产生电势差UH的现象l实验表明 RH：霍耳系数，与材料有关14-6 霍耳效应14-614-6 二、二、.机理分析机理分析l设导体板内自由电子的平均定向速度为 ,单位体积内自由电子数为n平衡时14-614-6霍耳电势差比较可得14-614-6 l对正电荷载流子对正电荷载流子14-614-6 讨论：讨论：导体中自由电子的浓度很大导体中自由电子的浓度很大(约约1029/m3)，霍耳效应不明显；半导体有，霍耳效应不明显；半导体有明显的霍耳效应明显的霍耳效应Fn型半导体：载流子以型半导体：载流子以电子电子为主为主Fp型半导体：以带正电的型半导体：以带正电的空穴空穴为主为主测定霍耳系数(或霍耳电势差)：可判定载流子正负，测定载流子浓度14-614-6 l取电流元 ，方向为电流流向l设电流元所在处的磁感应强度为 l14-7载流导线在磁场中受的载流导线在磁场中受的力和力矩力和力矩一、载流导线在磁场中受的力l电流元中所有电子受洛仑兹力之和为14-7 14-7-安培定律l对于任意形状的载流导线14-7 14-7 例例1一一载载有有电电流流I、半半径径为为R的的半半圆圆形形导导线线,放放在在均均匀匀磁磁场场中中,磁磁场场与与导导线线平平面面垂垂直直,求该导线所受安培力求该导线所受安培力解：建立如图坐标系取电流元所受安培力大小所受安培力大小方向沿径向向外14-7 14-7 l由对称性知，合力方向沿y轴正向方向向上矢量式:问题：A到B载流直导线结果如何？14-7 14-7 解：建立如图的坐标系任取电流元例2一弯曲通有电流I的平面导线，端点A、B距离为L，均匀磁场 垂直于导线所在平面，求导线所受磁力14-7 14-7 同理矢量式矢量式:问题：从A到B的载流直导线结果如何？14-7 14-7 讨论：讨论：对任意形状的导线，在任意方向的对任意形状的导线，在任意方向的均均匀磁场匀磁场中，可用等效直导线方法计算中，可用等效直导线方法计算所受磁力所受磁力闭合电流回路在均匀磁场中所受磁力闭合电流回路在均匀磁场中所受磁力为零为零14-7 14-7 例例3如如图图的的导导线线，通通有有电电流流I，放放在在一一个个与与均均匀匀磁磁场场垂垂直直的的平平面面上上，求求此此导导线线受受到的磁力到的磁力解:设想添加da 直导线构成闭合回路abcdal建立坐标系建立坐标系14-7 14-7 又14-7 14-7 例例4在一个圆柱形的磁铁在一个圆柱形的磁铁N极的正上极的正上上方水平放置一个半径为上方水平放置一个半径为R的导线环，的导线环，其中通有顺时针方向（俯视）的电其中通有顺时针方向（俯视）的电流流I。在导线所在的。在导线所在的B方向都有与竖方向都有与竖直方向成直方向成角。求导线环受的磁力。角。求导线环受的磁力。v解：解：v如图在导线上取如图在导线上取电流元，其受磁电流元，其受磁力力 由对称性知，磁力水平分量矢量和为零方向竖直向上14-7 14-7