第14章-磁力.ppt

磁力 第 4章 联系方式 9783806 电话第14章磁力 教学基本要点 带电粒子在磁场中的运动 霍尔效应 安培力 载流导线在磁场中受的磁力 载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩 第14章磁力 教学基本要求 二知道霍尔电压产生的原因 能计算霍尔电压 三理解安培定律 能利用它计算一些简单问题中的磁力 一能够计算带电粒子在磁场中运动的半径 周期及回旋频率 理解磁聚焦 质谱仪和回旋加速器的原理 第14章磁力 教学基本要求 四能够理解载流在磁场中的运动规律 知道力矩 磁矩与磁场的关系 五能够计算平行载流导线间的相互作用力 理解洛伦兹力与安培力的关系 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 洛伦兹 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 洛伦兹 Lorentz HendrikAntoon 1853 1928 荷兰物理学家 1853年7月18日生于阿纳姆 1928年2月4日卒于哈勒姆 洛伦兹在物理学上最重要的贡献是他的电子论 他的博士论文是用J C 麦克斯韦的电磁理论来处理光在介质界面上的反射和折射问题 文末 他提到把光的 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 电磁理论与物质的分子理论结合起来的前景 这就是他后来创立电子论的根源 1896年P 塞曼发现放在磁场中的光源其光谱线发生分裂 塞曼效应 洛伦兹立即用他的电子论对此现象作了定量解释 为此 他和塞曼共获1902年的诺贝尔物理学奖 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 1899年他论述了惯性系之间坐标和时间的变换问题 并得出电子质量与速度有关的结论 1904年他发表了著名的洛伦兹变换公式和质量与速度的关系式 并指出光速是物体相对于以太运动速度的极限 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 一带电粒子在电场和磁场中所受的力 电场力 磁场力 洛伦兹力 运动电荷在电场和磁场中受的力 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 由洛伦兹力公式可以看出 F与v永远都是垂直的 说明洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向 而不改变其速度大小 所以洛伦兹力永远不对粒子作功 指出下图所示各情形里带电粒子受力的方向 图中 代表垂直纸面向里的磁场 代表垂直纸面向外的磁场 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 二带电粒子在磁场中运动举例 1回旋半径和回旋频率 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 2磁聚焦 洛伦兹力不做功 洛伦兹力 与不垂直 螺距 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 磁聚焦在均匀磁场中点A发射一束初速度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 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 如果磁场为非均匀磁场 可以有以下结论 带电粒子在非均匀磁场中受到的洛伦兹力 恒有一指向磁场较弱的方向的分力 此分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动 这样有可能使粒子沿磁场方向的速度逐渐减少到零 从而迫使粒子掉向反转运动 利用这种现象 制造出磁约束装置 磁镜 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 磁镜及环形磁约束结构 解释地磁场内的范艾伦 J A VanAllen 辐射带 解释北极光现象 非均匀磁场的磁约束应用 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 1质谱仪 三带电粒子在电场和磁场中运动举例 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 2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 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 频率与半径无关 到半圆盒边缘时 第14章磁力 14 1带电粒子在磁场中的运动 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 第14章磁力 14 霍尔效应 霍尔效应 第14章磁力 14 霍尔效应 第14章磁力 14 霍尔效应 霍尔效应的应用 2 测量磁场 霍尔电压 1 判断半导体的类型 第14章磁力 14 霍尔效应 量子霍尔效应 1980年 霍耳电阻 第14章磁力 14 霍尔效应 崔琦 DanielCheeTsui 1939年生于中国河南省宝丰县肖旗乡范庄村一个农民家庭 在村里小学毕业后 他于1951年在北京读书 次年到香港培正中学就读 1957年香港培正中学毕业 1958年赴美国深造 就读于伊利诺伊州奥古斯塔纳学院 1967年在美国芝加哥大学获物理学博士学位 此后到著名的贝尔实验室工作 1982年起任普林斯顿大学电子工程系教授 主要从事电子材料基本性质等领域的研究 是美国国家科学院院士 1998年10月13日 瑞典皇家科学院宣布把1998年诺贝尔物理奖授予崔琦与德国科学家霍斯特 施特默和美国科学家罗伯特 劳克林 主要表彰他们发现并解释了电子量子流体这一特殊现象 2000年6月 崔琦当选为中国科学院外籍院士 2004年当选美国国家工程院院士 崔琦的主要学术兴趣是研究金属和半导体中电子的性质 他的这些研究将可应用于研制功能更强大的计算机和更先进的通信设备 铜的密度为 第14章磁力 14 霍尔效应 例 把一宽为2 0cm 厚1 0mm的铜片 放在B 1 5T的磁场中 磁场垂直通过铜片 如果铜片载有电流200A 求呈现在铜片上下两侧间的霍尔电势差有多大 已知铜的相对原子质量为64 1mol铜有个原子 解 铜片中自由电子的密度为 第14章磁力 14 霍尔效应 根据公式14 6得霍尔电势差 由此可见 在通常情况下铜片中的霍尔效应是很弱的 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 安培 Andr MarieAmp re 法国物理学家 数学家 1775年生于里昂一个商人家庭 父亲为他安排了按照自己的意愿来学习的环境 他自幼聪明好学 具有惊人的记忆力 尤其是在数学方面有非凡的天赋 12岁学习了微积分 13岁发表关于螺旋线的论文 18岁时 除了拉丁语 还通晓意大利语和希腊语 他不仅钻研数学 还研究物理学和化学 在化学方面 他最先预见了氯 氟 碘三种物质是元素 还独立地发现了 阿伏伽德罗定律 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 安培最重要的贡献是在电磁学方面 1820年7月奥斯特发现了电流的磁效应 法国科学家阿拉果8月在瑞士听到这一消息后 9月初回到法国立即向法国科学院报告了这一最新发现 善于接受新的研究成果的安培 怀着极大的兴趣 第二天就重做了奥斯特的实验 并于9月18日到10月向法国科学院陆续提交了三篇论文 包括了电流方向和磁针偏转方向关系的右手定则 同向直线电流间互相吸引 异向直线电流间互相排斥 通电螺线管的磁性与磁针等效 等等 安培又用了二 三个月的时间进一步研究电流之间的相互作用 把精巧的实验和他高超的数学技巧结合起来 通过四个巧妙设计的实验 导出了两个电流元之间相互作用的公式 即两个电流元之间的作用力跟它们之间距离的平方成反比 这就是著名的安培定律 安培还进一步探索了磁的本质 提出了分子电流假说 为正确认识物质磁性指出了方向 安培把磁和电流联系起来 从本质上认识了磁和电的统一 安培精湛的实验技巧和探索根源的精神受到后人的称颂 他在电磁学方面的重要贡献被麦克斯韦誉为 电学中的牛顿 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 一安培力 由安培定律 可拆成两部分 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 现将前一个公式下标去除 可得 上式称为安培定律 表示电流元在磁场中受到的安培力 任意形状的载流导线所受的磁力等于作用在它各段电流元上的安培力的矢量各 即 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 例1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 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 根据对称性分析 解 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 由于 因 故 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 解取一段电流元 例2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 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 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 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 例3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 O 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 解 O 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 例4载流圆环受磁力 在一个圆柱形磁铁N极的正上方水平放置一半径为R的导线环 其中通有顺时针方向的电流I 在导线所在所磁场B的方向都与竖直方向成a角 求导线环受到的磁力 第14章磁力 14 3载流导线在磁场中受的磁力 解 由左图的分析可知 在水平方向所受的力为零 力只沿z方向分布 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 一磁场作用于载流线圈的磁力矩 如图均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOP 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 线圈有N匝时 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 稳定平衡 不稳定平衡 讨论 1 与同向 2 方向相反 3 方向垂直 力矩最大 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 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 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 例如图半径为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 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 第14章磁力 14 4载流线圈在磁场中受的力矩 二 磁矩的势能 在均匀磁场中 当磁矩与磁场方向间的夹角为 时 磁矩的势能为 通常以磁矩方向与磁场方向垂直时的位置为势能为零的位置 例14 3电子的磁势能 第14章磁力 14 5平行载流导线间的相互作用 一 两无限长平行导线 电流分别为I1 I2 求 单位长导线所受的安培力 由安培定律求I2dl在B1所受的安培力 用右手螺旋定则判断受力方向水平向左 其大小为 故导线I2单位长度所受的安培力为 导线I1产生的磁场的磁感强度 方向 用右手螺旋法则判断 解 第14章磁力 14 5平行载流导线间的相互作用 结论 电流流向相同 相互吸引 电流流向相反 相互排斥 单位长度导线受的磁力 安培力 大小为 由于电流比电荷量容易测定 在SI制中把安培定为基本单位 安培 的定义如下 载有等量电流 相距1m的两根无限长平行直导线 每米长度上的作用力