高中物理 磁场对运动电荷的作用1精品课件 新人教版选修3.ppt

7 6磁场对运动电荷的作用 7 6 1带电粒子在磁场中的运动 说明 1 洛伦兹力f的方向垂直于v和b所确定的平面 2 洛伦兹力f不能改变带电粒子速度v的大小 只能改变其运动方向 1 运动方向与磁场方向平行 0 f 0 结论 带电粒子做匀速直线运动 周期 频率 带电粒子做匀速圆周运动 其周期和频率与速度无关 结论 2 运动方向与磁场方向垂直 运动方程 3 运动方向沿任意方向 半径 周期 螺距 结论 螺旋运动 匀速直线运动 匀速圆周运动 7 6 3电磁场控制带电粒子运动的实例 1 速度选择器 2 汤姆孙实验 电子动能 电子束打在屏幕中央的条件 电子的比荷 电子的质量 3 霍耳效应 1879年 霍尔 e h hall 1855 1936 发现 把一载流导体放在磁场中时 如果磁场方向与电流方向垂直 则在与磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势差 这一现象称为霍耳效应 这电势差称为霍耳电势差 动态平衡时 rh称为霍耳系数 霍耳系数rh与载流子密度n成反比 在金属中 由于载流子密度很大 因此霍耳系数很小 相应霍耳效应也很弱 而在一般半导体中 载流子密度n较小 因此霍耳效应也较明显 令 如果载流子带正电荷 则 4 质谱仪 质谱仪是研究物质同位素的仪器 n 为粒子源 p 为速度选择器 7 7磁场对载流导线的作用 7 7 1载流导线在磁场中受的力 设 载流子数密度n 电流元截面积s 电流元中的电子数nsdl 载流子电荷量q 作用在电流元上的作用力 安培定律 安培力 磁场对电流的作用力 安培力的基本计算公式 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 例2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 平行电流间的相互作用 单位长度受力 电流单位 安培 的定义 设 i1 i2 1a a 1m 单位长度导线受到的磁场力 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2 10 7n m时 就把两导线中所通过的电流定义为 1安培 7 7 2载流线圈在磁场中所受的磁力矩 结论 平面载流线圈在均匀磁场中所受的安培力的矢量和为零 磁场对线圈作用的磁力偶矩大小 为线圈面积 n匝线圈 线圈磁矩 线圈所受磁力偶矩 注意 上式对均匀磁场中任意形状的平面载流线圈都适用 力偶臂 讨论 1 0 时 m 0 线圈处于稳定平衡状态 2 90 时 m mmax nbis 3 180 时 m 0 线圈处于非稳定平衡状态 载流线圈在磁场中转动时磁场力的功 力矩的功 磁力矩 例4有一半径为r的闭合载流线圈 通过电流i 今把它放在均匀磁场中 磁感应强度为b 其方向与线圈平面平行 求 1 以直径为转轴 线圈所受磁力矩的大小和方向 2 在力矩作用下 线圈转过90 力矩做了多少功 解 解法一 作用力垂直于线圈平面 力矩的功 力矩 解法二 线圈转过90 时 磁通量的增量为 7 8磁介质 7 8 1物质的磁性 当一块介质放在外磁场中将会与磁场发生相互作用 产生一种所谓的 磁化 现象 介质中出现附加磁场 我们把这种在磁场作用下磁性发生变化的介质称为 磁介质 设 外场的磁感应强度为b0 介质磁化后的附加磁场为b 磁介质中的磁感应强度 相对磁导率 令 0 r称为磁导率 真空螺线管的磁场 介质螺线管的磁场 四类磁介质 1 顺磁性介质 介质磁化后呈弱磁性 附加磁场b 与外场b0同向 b b0 r 1 2 抗磁性介质 介质磁化后呈弱磁性 附加磁场b 与外场b0反向 b b0 r 1 3 铁磁性介质 介质磁化后呈强磁性 附加磁场b 与外场b0同向 b b0 r 1 4 完全抗磁体 r 0 b 0 磁介质内的磁场等于零 如超导体 分子磁矩顺磁质和抗磁质的磁化 近代科学实践证明 组成分子或原子中的电子 不仅存在绕原子核的轨道运动 还存在自旋运动 这两种运动都能产生磁效应 把分子或原子看作一个整体 分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和 可等效于一个圆电流 称为 分子电流 分子电流的磁矩称为 分子磁矩 表示为 1 顺磁质 特点 存在分子固有磁矩 无外磁场 外磁场中 2 抗磁质 特点 分子固有磁矩等于零 因此不存在顺磁效应 结论 注意 在抗磁质和顺磁质中都会存在抗磁效应 只是抗磁效应与顺磁效应相比较要小得多 因此在顺磁质中 抗磁效应被顺磁效应所掩盖 附加电子磁矩的方向总是和外磁场方向相反 由于分子中每一个运动电子都要产生与外磁场反向的附加磁矩 分子中各电子附加磁矩的矢量和即为分子的附加磁矩 磁介质中大量分子的附加磁矩在宏观上对外显示出磁效应 这一磁效应与外磁场方向相反 我们把它称为 抗磁效应 7 8 2磁化强度与磁化电流 1 磁化强度 为了反映磁化程度的强弱 引入 磁化强度矢量 磁化强度 磁介质中某一点处单位体积内分子磁矩的矢量和 单位 2 磁化电流 以长直螺线管为例 介质磁化以后 由于分子磁矩的有序排列 其宏观效果是在介质横截面边缘出现环形电流 这种电流称为 磁化电流 is 磁化电流与传导电流的区别 磁化电流是分子电流规则排列的宏观反映 并不伴随电荷的定向运动 不产生热效应 而传导电流是由大量电荷做定向运动而形成的 磁化电流面密度 介质表面单位长度上的磁化电流 磁化强度矢量 结论 磁化强度在数值上等于磁化电流面密度 它们之间的关系由右手螺旋法则确定 结论 磁化强度沿闭合回路的环路积分 等于穿过回路所包围面积的磁化电流 7 8 3磁介质中的磁场磁场强度 磁介质在磁化后 由于外磁场和附加磁场都属于涡旋场 因此 在有磁介质存在时 磁场中的高斯定理仍成立 1 有介质存在时的高斯定理 2 有介质存在时的安培环路定理 定义 磁场强度 存在磁介质时的安培环路定理 系数 m称为 磁化率 结论 磁场强度沿任一闭合回路的环路积分 等于闭合回路所包围并穿过的传导电流的代数和 在形式上与磁介质中的磁化电流无关 令 称为磁介质的 相对磁导率 令 称为磁导率 1 在真空中 2 在顺磁质中 3 在抗磁质中 例5一半径为r1的无限长圆柱形直导线 外面包一层半径为r2 相对磁导率为 r的圆筒形磁介质 通过导线的电流为i0 求磁介质内外磁场强度和磁感应强度的分布 解 7 8 4铁磁质 铁磁质是一种强磁质 磁化后的附加磁感应强度远大于外磁场的磁感应强度 因此用途广泛 铁 钴 镍以及许多合金都属于铁磁质 1 磁滞回线 oa 起始磁化曲线 hs 饱和磁场强度 br 剩余磁感应强度 hc 矫顽力 铁磁质的特点 能产生非常强的附加磁场b 甚至是外磁场的千百倍 而且与外场同方向 b和h呈非线性关系 不是一个恒量 高 值 磁滞现象 b的变化落后于h的变化 铁磁质的分类 软磁材料 磁滞回线细而窄 矫顽力小 磁滞损耗小 容易磁化 容易退磁 适用于交变磁场 如制造电机 变压器等的铁心 硬磁材料 磁滞回线较宽 剩余磁感应强度和矫顽力都比较大 适合于制造永磁体 矩磁材料 磁滞回线接近于矩形 剩余磁感应强度br接近于饱和磁感应强度bs 适合于制作记录磁带及计算机的记忆元件 2 磁畴 铁磁质内部相邻原子的磁矩会在一个微