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1、磁磁 力力 第二节第二节 1 本节主要内容：本节主要内容： 2.1 磁力与电电荷的运动动 2.2 磁场场与磁感应应强度 2.3 带电带电 粒子在磁场场中的运动动 2.4 霍尔效应应 2.5 载载流导线导线 在磁场场中受的力 本节学习要点本节学习要点1 1. .磁感应强度磁感应强度 2 2. .磁力线和磁通量磁力线和磁通量 2 2.1 2.1 磁力与电荷的运动磁力与电荷的运动 3 1.磁针针和磁针针； 4.载载流导线导线 与载载流导线导线 的相互作用。 3.在磁场场中运动动的电电荷受到的磁力； 2.磁铁铁与载载流导线导线 的相互作用； I NS NSNS 磁力磁力是指是指电电电电流流与磁体之与磁
2、体之间间间间的相互作用力。的相互作用力。 基本磁现象： 指北N极，指南S极 4 磁力是运运动电动电动电动电 荷荷之间间的相互作用. 一切磁现现象的根源是电电流. 结论 永磁体也是由分子原子组组成的，在分子内部，电电 子和质质子等带电带电 粒子的运动动也形成微小的电电流，叫 分子电电流。永磁体是分子电电流方向定向排列。 永磁体与其他永磁体或电电流的相互作用，实际实际 上 是整齐齐排列的分子电电流之间间或他们们与导线导线 中定向运 动动的电电荷之间间的相互作用。 5 用磁感应应强度 描述磁场场强弱的一个物理量. 2.2 2.2 磁场与磁场与磁感应强度磁感应强度 运动电荷磁场运动电荷 磁场：磁极或电
3、电流在自己周围围的空间产间产 生一个磁场场 磁场的基本性质之一是他对对于任何置于其中的其他 磁极或电电流施加作用力 磁力作用方式 6 (2) 磁作用力F 还还与粒子的运动动方向有关,在一 定的方向时时F最大为为Fm. (1) 在磁场场中某点运动动的电电荷,所受磁作用力,与电电 荷量q ,速度的大小v成正比. 的方向定义如图 定义B的大小为 B = Fm /qv B的单位 :特斯拉(T) 地磁场B大约10-4T 一、磁力一、磁力( (洛伦兹力洛伦兹力) ) 注意：磁感应应强度是描述磁场场本身性质质的量， 与 电电荷无关。 7 在磁场场中运动动的带电带电 粒子受磁场场力-洛仑兹仑兹 力： 大小:F
4、 = q v B sin 方向如图图,垂直于v、B构成的平面. +q -q (显显然当=0时时F=0) 二二 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） 8 磁感应线应线 ， I 磁感应线是无头无尾 的闭合曲线 NS 线线 三三 磁感应线磁感应线 与与 磁通量磁通量 9 (1)磁感应线应线 是环绕电环绕电 流的闭闭合曲线线，无始 无终终; (2)任何两条磁感应线应线 在空间间不会相交; (4)磁感应线应线 的方向与电电流的流向遵 守右手螺旋法则则。 (3)磁感磁感应应线线线线的疏密表示磁感的疏密表示磁感应应 应应强强度的大小，度的大小， 切切线线线线方向表示磁感方向表示磁感应
5、应应应强强度的方向；度的方向； 磁力磁力线线线线性性质质质质 I 10 m=BS S S 磁通量磁通量 单位：韦伯标量磁力线线的总总条数 11 穿过闭合曲面的磁通量穿过闭合曲面的磁通量 规规定外法线线方向为为正 磁力线线穿出闭闭合面 磁力线线穿入闭闭合面 B B n n 为为正通量。 为负为负 通量。 12 磁场中的高斯定理磁场中的高斯定理 由于磁力线为闭线为闭 合曲线线 ，穿入穿出闭闭合面的磁力线线根 数相同，正负负通量抵消。 穿过闭过闭 合面的磁通量等于零。 13 磁场场中的高斯定理阐阐明了磁场场的性质质： 磁场场是无源场场，磁力线为闭线为闭 合曲线线，磁场场 是涡涡旋场场. 磁场场与电场
6、电场 有本质质的区别别，电场电场 是有源场场, 电电力线线是发发散的。电场电场 是发发散场场。 14 1. 磁感应应强度： 2. 磁力线线的性质质 3.磁通量 标标量 4.磁场场中的高斯定律 小结 大小： B B = = F Fm m /qv /qv 的方向定义如图 洛仑兹仑兹 力： 15 1. 导导体中形成电电流的条件： 在导导体内有可以自由移动动的电电荷或叫载载流子 在导导体两端要存在有电势电势 差 2. 电电流密度矢量: 3.电电源电动势电动势 4.欧姆定律的微分形式 回顾 16 1. 磁感应应强度： 2. 磁力线线的性质质 3.磁通量 标标量 4.磁场场中的高斯定律 回顾 大小： B
7、B = = F Fm m /qv /qv 的方向定义如图 洛仑兹仑兹 力： 17 (1)粒子平行于磁场场运动动 + q q - q+ q - R R (2)粒子垂直于均匀磁场场运动动 F=0,匀速直线线运动动. + q q - 圆圆周轨轨道半径: 运动动一周的时间时间 : 2.32.3 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 进进入均匀磁场场 + q h 将速度分解为为： v/=sin , v=cos (4)粒子以一定角度 进进入非均匀磁场场 磁约束 19 带电带电 粒子在电场电场 和磁场场中运动动受力： 若无其它外力则则有： 于是原则则上可解出粒子的运动动情
8、况. 带电带电 粒子在电场电场 和磁中运动动的应应用 20 -e F P U I I 主要原理:带电带电 粒子在均 匀磁场场的运动动周期: 与粒子的速度无关. 应应用:显显象管内的电电子磁聚焦 ,实验实验 室测测量粒子比荷q/m. 一一 磁聚焦磁聚焦 电电子束：小发发散角，磁场场方 向速度基本相同，螺距相同 h B 螺距相同 21 回旋加速器结结构示意如图图: 在半圆圆形盒子中的运动时间动时间 粒子引出时时的速度: N S 接震荡荡器 D2 D1 D2 D1 震荡荡器 粒子束 分析被加速粒子的电电荷正负负. 粒子运动动的轨轨道半径: 引出时时的能量: 二二 回旋加速器回旋加速器 22 实际实际
9、 上必须计须计 入相对论对论 效应应,即: 因此为为保证证同步加速,震荡荡器的频频率 要满满足下式 在半圆圆形盒子中的运动时间动时间 : 23 用途:测测量粒子的m、q及q/m（荷质比）等物理量. 速度选择选择 器 应应用例:用铅铅同位素含量比例测测量古生物年龄龄. 最简单简单 的质谱仪质谱仪 如图图: 根据: + q R N A 狭缝缝1 狭缝缝2 + + + + - - - - + - 速度选择选择 器工作原理: 得: 三三 质谱仪质谱仪 24 现现象,霍尔效应应,霍尔电势电势 差. V + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - + V + + + +
10、 + - - - - - - + + + + + + + + + + 实验实验 表明: -q v - +q v + I b d I b d RH称为为霍尔系数. 理论论推导导:平衡时时 电电流: 2.42.4 霍尔效应霍尔效应 25 讨论讨论 1.由于导导体内有大量的自由电电荷，n 较较大， RH 较较小，故导导体的霍尔效应较应较 弱。 2.半导导体界于导导体与绝缘绝缘 体之间间，其内的自 由电电荷较较少，n 较较小，RH 较较大，故半导导体的 霍尔效应显应显 著。 26 霍尔效应应的应应用:测测量磁感应应 强度、电电流，半导导体类类型判别别 等. 磁流体发电发电 的构想:等离子体流通过过磁场
11、场,其中的正负电负电 荷向相反方向运动动. -q v - +q v + + - S N 发电发电 通 道 导电导电 气 体 27 实验实验 表明,载载流导线导线 在磁场场受力 I -q +q 2.5 2.5 载载载载流流导线导线导线导线 在磁在磁场场场场受的力受的力 安培力安培力 电电流元： 导线导线 截面积积S，电电流I，长长度dl. 电电流元的方向：规规定为电为电 流方向 安培力： 载载流导线导线 受磁场场的作用力 28 导线导线 中的电电流是由其中的载载 流子定向移动动形成的，当把载载流 导线导线 置于磁场场中时时，这这些运动动 的载载流子受到洛伦兹伦兹 力作用 安培力的产产生原因: 实
12、际计实际计 算中,用力的分量式积积分. I -q +q 一段载载流导线导线 L在磁场场受力: 注意：载载流导导体受到的安培力是大量运动电动电 荷受到 的 洛仑兹仑兹 力的宏观观表现现。 I 其中 29 例例：载载流导线导线（R，I）在磁场场B中所 受 到的力？ x0 y 解： 由对对称性分析 你能得到什么结论结论 ？ 方向：+y 30 载载流线线圈在磁场场中如图图： I l1 . 受力： 力矩： 力矩矢量： 其中线线圈的磁矩： 一般式： 适用于在均匀磁场场中任何形状的线线圈. l1 l2 磁磁场对载场对载场对载场对载 流流线线线线圈的圈的作用作用磁磁 矩矩 面方向与电电流的流向符合右手螺旋关系
13、 31 试试分析下述情况： . I I . . I 总结载总结载 流线线圈在磁场场中运动动的规规律：. = 0, M=0 = , M=0 作用在线线圈上的磁力与力矩均不为为零： 载载流线线圈在非均匀磁场场中： , M=Mmax 32 例例：求M？ 向里 x y I r R 解：1. 微元迭加法 注意：各电电流元产产生的力矩元的方向相同。 方向：+y 2.由 33 圆圆周轨轨道半径: 运动动一周的时间时间 : 带电带电带电带电 粒子在磁粒子在磁场场场场中的运中的运动动动动 1.1.洛洛伦兹伦兹伦兹伦兹 力力 小结 34 带电带电 粒子在电场电场 和磁场场中运动动受力 ： 若无其它外力则则有： 原则则上可解出粒子的运动动情况. 2.2.霍霍尔尔效效应应应应 霍尔系数 霍尔电势电势 差 35 载载流导线导线 在磁场场受力 3.3.载载载载流流导线导线导线导线 在磁在磁场场场场受的力受的力 安培力安培力 电电流元的方向：规规定电电流方向 用力的分量式积积分. 一段载载流导线导线 L在磁场场受力: I 36 载载流线线圈在磁场场中的力矩矢量 其中线线圈的磁矩： 一般式： 适用于在均匀磁场场中任何形状的线线圈. 4.4.磁磁场对载场对载场对载场对载 流流线线线线圈的作用圈的作用 磁磁 矩矩 面方向与电电流的流向符合右手螺旋关系 37 作业： P226 26 28 34 36 38
