清华大学自用 大学物理一 教学课件第十三章 磁力.ppt

第十三章,磁力,2,13.1 磁场对运动电荷的作用,磁场力（洛仑兹力）,方向：即以右手四指 由经小于 的角弯向 拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向.,大小：,3,说明：,1、洛仑兹力F的方向垂直于v和B所确定的平面。,2、洛仑兹力F不能改变带电粒子速度v的大小，只能改变其运动方向。,4,例 一质子沿着与磁场垂直的方向运动, 在某点它的速率为 . 由实验测得这时质子所受的洛仑兹力为 .求该点的磁感强度的 大小.,解 由于 与垂直 ，可得,问 1）洛仑兹力作不作功？,2）负电荷所受的洛仑兹力方向？,5,带电粒子在磁场中的运动,1、带电粒子在均匀磁场中的运动,设均匀磁场磁感强度为 带电粒子质量为m 电量为q,分三种不同情况分别说明 1）粒子运动速度平行磁感强度 2）粒子运动速度垂直磁感强度 3）粒子运动速度方向任意,6,1）粒子运动速度平行磁感强度,粒子不受力, 做匀速直线运动,7,2）粒子运动速度垂直于磁感强度,粒子做匀速圆周运动 洛仑兹力提供向心力,8,圆周半径,圆周运动半径与垂直磁场的速度有关， 速度大的粒子圆周半径大 速度小的粒子圆柱半径小,粒子运动的周期,与速度无关,9,电子的反粒子 电子偶,显示正电子存在的云室照片及其摹描图,1930年狄拉克预言自然界存在正电子,10,3）粒子运动速度方向任意,将上述两种情况综合 设粒子初速度与磁感强度之间夹角为,洛仑兹力,与 不垂直,螺距,11,磁聚焦 在均匀磁场中点 A 发射一束初速相差不大的带电粒子, 它们的 与 之间的夹角 不同 , 但都较小,这些粒子沿半径不同的螺旋线运动, 因螺距近似相等, 相交于屏上同一点, 此现象称为磁聚焦 .,应用 电子光学 , 电子显微镜等 .,12,带电粒子在磁场中的运动,带电粒子在非均匀磁场中的运动,在非均匀磁场中带电粒子运动的特征：,向磁场较强方向运动时，螺旋半径不断减小,13,14,1）磁镜,磁场：轴对称 中间弱 两边强 粒子将被束缚在磁瓶中 磁镜：类似于粒子在反射面上反射 （名称之来源） 在受控热核反应中用来约束等离子体,15,2）极光,由于地磁场俘获带电粒子而出现的现象,16,在地磁两极附近 由于磁感线与地面垂直 外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内 它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光,绚丽多彩的极光,17,带电粒子在电场和磁场中运动举例,1、速度选择器,18,2 质谱仪,19,3 回旋加速器,1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.,此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获诺贝尔物理学奖.,20,频率与半径无关,到半圆盒边缘时,21,1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.,此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.,22,我国于1994年建成的第一台强流质子加速器 ，可产生数十种中短寿命放射性同位素 .,23,13.2 霍尔效应,1879年美国物理学家霍尔发现,24,霍耳电压,25,2）测量载流子浓度,霍耳电压,1）判断半导体的类型,3）测量磁场,4）测量大电流,26,量子霍尔效应（1980年）德国物理学家克力青,27,霍耳电阻,在极低温、强磁场下,克里青（Klitzing）常量,RK 的测量准确到10 -10,1990年定义,28,13.3 磁场对载流导线的作用,洛伦兹力,由于自由电子与晶格之间的相互作用，使导线在宏观上看起来受到了磁场的作用力 .,安培定律 磁场对电流元的作用力,29,有限长载流导线所受的安培力,安培定律,意义 磁场对电流元作用的力 ，在数值上等于电流元 的大小 、电流元所在处的磁感强度 大小以及电流元和磁感应强度之间的夹角 的正弦之乘积 , 垂直于 和 所组成的平面, 且 与 同向 .,30,1、均匀场中直导线的受力,2、均匀场中弯曲导线的受力,3、非均匀场中导线的受力,31,例1. 计算长为L的载流直导线在均匀磁场B中所受的力。,解：,32,1、均匀场中直导线的受力,2、均匀场中弯曲导线的受力,3、非均匀场中导线的受力,33,根据对称性分析,解,例 如图一通有电流 的闭合回路放在磁感应强度为 的均匀磁场中，回路平面与磁感强度 垂直 .回路由直导线 AB 和半径为 的圆弧导线 BCA 组成 ，电流为顺时针方向, 求磁场作用于闭合导线的力.,34,因,由于,故,35,解 取一段电流元,结论 任意平面载流导线在均匀磁场中所受的力 , 与其始点和终点相同的载流直导线所受的磁场力相同.,例 求 如图不规则的平面载流导线在均匀磁场中所受的力，已知 和 .,36,1、均匀场中直导线的受力,2、均匀场中弯曲导线的受力,3、非均匀场中导线的受力,37,例 如图所示 长直电流I1和长为L的电流I2垂直共面 相距为a 求I2受I1的磁场力,解：建坐标系如图,在坐标x处取电流元,安培力,电流I1在x处磁感强度为,方向如图,38,安培力大小为,因为各电流元受力方向相同，所以大小直接相加 合力为：,方向：垂直电流I2平行电流I1,39,电磁轨道炮,原理示意图,当通电后 巨大电流（大于4兆安）熔化易溶金属形成的等离子体受安培力作用 弹出炮弹,40,例. 无限长直载流导线通有电流I1 ，在同一平面内有长为L的载流直导线，通有电流I2 。（如图所示）求：长为L的导线所受的磁场力。,解：,41,例 半径为 载有电流 的导体圆环与电流为 的长直导线 放在同一平面内（如图），直导线与圆心相距为 d ，且 R d 两者间绝缘 , 求 作用在圆电流上的磁场力.,解,42,43,13.4 载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩,如图 均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOP,44,线圈有N匝时,45,稳定平衡,不稳定平衡,1） 方向与 相同,2）方向相反,3）方向垂直,力矩最大,46,结论: 均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为,磁矩,47,例 边长为0.2m的正方形线圈，共有50 匝 ，通以电流2A ，把线圈放在磁感应强度为 0.05T的均匀磁场中. 问在什么方位时，线圈所受的磁力矩最大？磁力矩等于多少？,问 如果是任意形状载流线圈，结果如何？,48,例2 如图半径为0.20m，电流为20A，可绕轴旋转的圆形载流线圈放在均匀磁场中 ，磁感应强度的大小为0.08T，方向沿 x 轴正向.问线圈受力情况怎样？ 线圈所受的磁力矩又为多少？,解 把线圈分为JQP和PKJ两部分,以 为轴， 所受磁力矩大小,49,50,力矩的功：,力矩：,51,磁电式电流计原理,实验测定 游丝的反抗力矩与线圈转过的角度成正比.,磁铁,52,载流线圈在磁场中转动时磁场力的功,力矩的功：,磁力矩：,磁矩的势能：,53,13.5 平行载流导线间的相互作用力,单位长度受力：,54,电流强度单位：“安培”的定义,设： I1 = I2 = 1 A，a = 1 m,单位长度导线受到的磁力：,两平行长直导线相距1m，通过大小相等的电流，如果这时它们之间单位长度导线受到的磁场力正好是210-7 Nm时，就把两导线中所通过的电流定义为“1安