磁力教学课件PPT磁力

1、第第 6 6 章章 磁力磁力 一、一、磁力与电荷的运动磁力与电荷的运动 二、二、磁场和磁感应强度磁场和磁感应强度 三、三、带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动 四、四、霍尔效应霍尔效应 五、五、载流导线在磁场中受的力载流导线在磁场中受的力 一、磁力与电荷的运动一、磁力与电荷的运动 1. 磁性磁性 q天然磁铁天然磁铁（fe3o4）或人造磁铁具有能吸引或人造磁铁具有能吸引 铁、钴、镍等物质的特性铁、钴、镍等物质的特性：磁性磁性； q 磁铁具有磁极磁铁具有磁极：n极、极、s极极，n极、极、s极同时极同时 存在，不可分割存在，不可分割（磁单极子不存在（磁单极子不存在）；）； q磁极之间有相互作

2、用力磁极之间有相互作用力：磁力磁力。同号磁极相同号磁极相 斥，异号磁极相吸。斥，异号磁极相吸。 一、磁力与电荷的运动一、磁力与电荷的运动 2. 历史历史 q18191819年：奥斯忒年：奥斯忒 发现电流对小磁针发现电流对小磁针 的作用；的作用； q战国时期（公元前战国时期（公元前300300年）有年）有“磁石磁石”等记载等记载 q东汉时期王充：东汉时期王充：“司南司南”指南的记载描述；指南的记载描述； q11世纪：指南针；世纪：指南针； 一、磁力与电荷的运动一、磁力与电荷的运动 q1820年：安培发现磁铁对载流导线或载流线年：安培发现磁铁对载流导线或载流线 圈的作用；圈的作用； q磁铁对阴极射

3、线的作磁铁对阴极射线的作 用；平行的载流导线之用；平行的载流导线之 间的相互作用；间的相互作用； q18221822年：安培年：安培分子电流分子电流观点观点：认为一切磁现认为一切磁现 象的根源是运动的电荷（即电流）。象的根源是运动的电荷（即电流）。 一、磁力与电荷的运动一、磁力与电荷的运动 3. 磁力产生的根源磁力产生的根源 结论：结论： 磁力都是运动电荷之间相互作用的表现。磁力都是运动电荷之间相互作用的表现。 q分子电流分子电流 q永磁体永磁体 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 1. 磁场磁场 运动电荷在其周围空间除了产生电场，还产生运动电荷在其周围空间除了产生电场，还产生 了了磁场

4、磁场。 磁场磁场运动电荷运动电荷运动电荷运动电荷 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 2. 运动电荷受的力运动电荷受的力 r电场力电场力 eqfe r洛仑兹力洛仑兹力（实验规律）（实验规律） bvqfm 电场力，与电荷电场力，与电荷 的运动状态无关的运动状态无关 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 r洛仑兹力公式洛仑兹力公式 bvqeqf 磁场力，运动磁场力，运动 电荷才受磁力电荷才受磁力 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 3. 确定确定 的大小与方向的实验步骤的大小与方向的实验步骤 b 将检验电荷将检验电荷 q 置于电流或者永磁体附近某点置于电流或者永磁体附近某点 e f

5、 q 静止静止 q 以某一速度运动以某一速度运动 em fff q 沿某一方向（或其反方向）运动不受磁力沿某一方向（或其反方向）运动不受磁力 的方向的方向 b 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 q 沿任意方向运动时，发现沿任意方向运动时，发现 bfvf mm , 规定规定 的的方向方向 满足满足 右手螺旋定则右手螺旋定则。 b 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 bvqfm sinqv f b m 发现发现 的的大小大小 b 记作记作 sinqvbfm 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 4. 磁感磁感应应强度强度 r单位单位 rp. 198 表表7.1 b 特斯拉特斯拉

6、简称为简称为特特（t t） r是是描述磁场中各点磁场的强弱和方向的物理描述磁场中各点磁场的强弱和方向的物理 量，是矢量点函数。若磁场中各点都相同，则量，是矢量点函数。若磁场中各点都相同，则 称该磁场为匀强磁场。称该磁场为匀强磁场。 高斯高斯（g g） 1g = 10-4t 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 4. 磁通量磁通量 r磁感磁感应线（应线（b b 线）线） p. 199 二、磁场和磁感应强度二、磁场和磁感应强度 r磁通量磁通量 s sdb 等于等于通过该面积的磁感应线的总根数通过该面积的磁感应线的总根数。 r磁通量单位磁通量单位 韦伯韦伯 简称为简称为韦韦（wb） 1 wb =

7、 1tm2 故故 磁感磁感应应强度强度单位单位也可写成也可写成 1t = 1 wb /m2 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 1.带电粒子速度与磁场垂直带电粒子速度与磁场垂直 bvqfm 大小大小 sinqvbfm 方向方向 m f v b qvb 始终与电荷的运动方向垂直始终与电荷的运动方向垂直 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 回旋半径回旋半径 r m f v b r v mqvbfm 2 qb mv r 回旋周期回旋周期 qb m t 2 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 bvqfm 沿磁场方向沿磁场方向 粒子作粒子作匀速匀速运

8、动运动 v b v / v 0 m f r v mbqvfm 2 2.带电粒子速度与磁场不垂直带电粒子速度与磁场不垂直 垂直磁场方向垂直磁场方向 粒子作粒子作匀速匀速圆周圆周运运 动动（回旋运动）（回旋运动） 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 粒子总的运动是一个轴线沿磁场方向的螺旋运粒子总的运动是一个轴线沿磁场方向的螺旋运 动动 / v v v b h 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 螺旋线半径螺旋线半径 cos 22 / v qb m v qb m tvh qb mv qb mv r sin v b v / v qb m v r t 22 回旋周期回

9、旋周期 螺旋轨迹的螺距螺旋轨迹的螺距 b h 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 r磁聚焦磁聚焦 会聚到一点的现象与会聚到一点的现象与 透镜将光束聚焦现象透镜将光束聚焦现象 十分相似，因此叫十分相似，因此叫磁磁 聚焦聚焦。 3.带电粒子在磁场中运动举例带电粒子在磁场中运动举例 一束发散角不大的带电粒子束，当它们在磁场一束发散角不大的带电粒子束，当它们在磁场 b 的方向上具有大致相同的速度分量时，它们有相的方向上具有大致相同的速度分量时，它们有相 同的螺距。经过一个周期它们将重新会聚在另一同的螺距。经过一个周期它们将重新会聚在另一 点，这种发散粒子束点，这种发散粒子束 三、带电

10、粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 在非均匀磁场中在非均匀磁场中, ,磁场较强的地方，回旋半径磁场较强的地方，回旋半径 和螺距都较小。带电粒子所受洛伦兹力恒有一指和螺距都较小。带电粒子所受洛伦兹力恒有一指 向磁场较弱方向的分量阻碍其继续前进，就象遇向磁场较弱方向的分量阻碍其继续前进，就象遇 反射镜一样。反射镜一样。 这种强度逐渐这种强度逐渐 增强的磁场称增强的磁场称 为为磁镜磁镜。 r磁镜（或磁塞）磁镜（或磁塞） 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的 磁场。带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁

11、场内来磁场。带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁场内来 回运动而不能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称回运动而不能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称 为为磁瓶磁瓶。 r磁约束磁约束 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 地球的磁场与一个地球的磁场与一个 棒状磁体的磁场相似棒状磁体的磁场相似 ，地磁轴与自转轴的，地磁轴与自转轴的 交角为交角为11.50，地磁两，地磁两 极在地面上的位置是极在地面上的位置是 经常变化的。经常变化的。 r范艾仑辐射带和北极光范艾仑辐射带和北极光 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 从赤道到地磁的两极磁场逐渐增强，因此地从赤道到地磁的两极磁场逐渐增

12、强，因此地 磁场是一个天然的磁约束捕集器，它使来自宇磁场是一个天然的磁约束捕集器，它使来自宇 宙射线和宙射线和“太阳风太阳风”的带电粒子围绕地磁场的的带电粒子围绕地磁场的 磁感应线做螺旋运动，而在靠近地磁南、北两磁感应线做螺旋运动，而在靠近地磁南、北两 极处被反射回来。这样，带电粒子就在地磁南、极处被反射回来。这样，带电粒子就在地磁南、 北两极之间来回振荡，直到由于粒子间的碰撞北两极之间来回振荡，直到由于粒子间的碰撞 而被逐出为止。而被逐出为止。 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电 子层，形成子层，

13、形成范范阿仑阿仑(van allen）辐射带辐射带。 范范阿仑辐射带有两层阿仑辐射带有两层 外层外层 在在 60 000 km 处处 800 km - 4 000 km 内层内层 地面上空地面上空 三、带电粒子在磁场中的运动三、带电粒子在磁场中的运动 在地磁场的南、北两极附近由于磁感应线与地在地磁场的南、北两极附近由于磁感应线与地 面垂直，由外层空间入射的带电粒子可直接射入面垂直，由外层空间入射的带电粒子可直接射入 高空大气层内。高空大气层内。 高速带电粒子与高速带电粒子与 大气分子相互碰大气分子相互碰 撞产生的电磁辐撞产生的电磁辐 射就形成了绚丽射就形成了绚丽 多彩的多彩的极光极光。 四、霍

14、尔效应四、霍尔效应 1. 实验现象实验现象 q把一载流导体薄板放在磁场中时，如果磁场把一载流导体薄板放在磁场中时，如果磁场 方向垂直于薄板平面，则在薄板的上、下两侧方向垂直于薄板平面，则在薄板的上、下两侧 面之间会出现微面之间会出现微 弱电势差，这一弱电势差，这一 现象称为现象称为霍耳效霍耳效 应应，其电势差称，其电势差称 为为霍耳电压霍耳电压。 四、霍尔效应四、霍尔效应 2. 经典理论解释经典理论解释 q电子受力电子受力evbfm he eef em ff vbhheu hh q平衡时平衡时 nbhqvi nqb ib u h h b n 四、霍尔效应四、霍尔效应 2. 应用应用 q判断半导

15、体的载流子种类（电子、空穴？）。判断半导体的载流子种类（电子、空穴？）。 四、霍尔效应四、霍尔效应 q磁强计（高斯计）：测量磁场的大小和方向。磁强计（高斯计）：测量磁场的大小和方向。 q磁流体发电。磁流体发电。 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 1. 安培力安培力 q实验发现，外磁场对载流导线有力的作用，实验发现，外磁场对载流导线有力的作用， 这个力称为这个力称为安培力安培力。 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q载流导线在磁场中所受到的磁力（安培力）载流导线在磁场中所受到的磁力（安培力） 的的本质本质是：在洛伦兹力的作用下，导体作定向是：在洛伦

16、兹力的作用下，导体作定向 运动的电子和导体中晶格上的正离子不断地碰运动的电子和导体中晶格上的正离子不断地碰 撞，把动量传给了导体撞，把动量传给了导体，从而使整个载流导体从而使整个载流导体 在磁场中受到磁力的作用。在磁场中受到磁力的作用。 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 2. 安培力公式安培力公式 q任意任意电流元电流元受力为受力为 blidbvnsdlqfd q整个受力整个受力 l blidf 例例 p.207 lvdqnsvnsdlq 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q例题例题 1 1 在均匀磁场中放置一半径为在均匀磁场中放置一半径为 r

17、的半圆形导线，的半圆形导线， 电流强度为电流强度为 i ，导线两端连线与磁感强度方向，导线两端连线与磁感强度方向 夹角夹角 = 30 = 30，求此段圆弧电流受的磁力。，求此段圆弧电流受的磁力。 b =30=30 b i a 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q解解 在电流上任取电流元在电流上任取电流元 lid )( )( b a blidf bl di b a )( )( babi sinbabif ibr 方向方向f a b b i =30=30 lid 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 3. 载流线圈在磁场中所受的力矩载流线圈在磁场中所受的

18、力矩 q在均匀磁场中，有一刚在均匀磁场中，有一刚 性矩形载流线圈性矩形载流线圈abcdabcd， 它的边长分别为它的边长分别为 l1 和和 l2 ，电流为，电流为i i。线圈法线方。线圈法线方 向向 与电流的流向符合与电流的流向符合 右手螺旋关系，与磁场右手螺旋关系，与磁场 的方向夹角为的方向夹角为 。 b n e a a b b c c d d n e l2 i i l1 b 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 a a b b c c d d n e l2 i i l1 b 1 f 1 f q对于导线对于导线 ad ad 段和段和 bcbc 段，作用力的大段，作用力的大

19、 小相等、方向相反，小相等、方向相反， 并且在同一直线上，并且在同一直线上， 所以它们的合力及合所以它们的合力及合 力矩都为零。力矩都为零。 11 ff 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q而导线而导线 ab ab 段和段和 cd cd 段所受磁场作用段所受磁场作用 力的大小为：力的大小为： a a（b b） n e i i l1 b 2 f d d（ （c c） 2 f 22 ff 2 bil 因此线圈在磁场中受到一个磁力矩的作用。因此线圈在磁场中受到一个磁力矩的作用。 这两个力的方向相这两个力的方向相 反，但不在同一直线反，但不在同一直线 上。上。 五、载流导线在磁

20、场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q线圈在磁场中受到线圈在磁场中受到 的磁力矩的大小为：的磁力矩的大小为： a a（b b） n e i i l1 b 2 f d d（ （c c） 2 f sin 12l fm sinbis sin 12l bil 其中其中 21l ls 磁力矩的矢量表示磁力矩的矢量表示 beism n m 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q定义定义 称为载流线圈的称为载流线圈的磁磁 偶极矩偶极矩，简称，简称磁矩磁矩。 a a（b b） n e i i l1 b 2 f d d（ （c c） 2 f m n eism bmm 则则 m 上式对

21、所有闭合电流均成立上式对所有闭合电流均成立。 磁矩是微观粒子本身的特性之一。磁矩是微观粒子本身的特性之一。 磁矩单位磁矩单位am2 或或 nm/t 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 q几种特殊情况：几种特殊情况： 当当 时，线圈平面时，线圈平面 与与 垂直，垂直， ，此时，此时 线圈处于稳定平衡状态；线圈处于稳定平衡状态； 0 b 0 m 当当 时，线圈平面时，线圈平面 与与 平行，此时平行，此时 90 b bismm max a a b b c c d d i i b a a b b c c d d i i b n e 五、载流导线在磁场中所受的力五、载流导线在磁场中所受的力 当当 时，线圈平时，线圈平 面与面与 垂直，但载流线垂直，但载流线 圈的圈的 方向与方向与 的方向的方向 相反，相反， ，此时线圈，此时线圈 处于不稳定平衡状态。处于不稳定平衡状态。 180 b n e b 0 m a a