第1节磁场的描述 磁场对电流的作用ppt课件.ppt

1、第1节 磁场的描述 磁场对电流的作用,磁场的产生,在磁体周围存在磁场,一、磁场：,磁场的产生,2、电流周围存在磁场,磁场：,直线电流周围的磁场-奥斯特实验,环形电流周围的磁场,通电螺线管周围的磁场,1、磁体周围存在磁场,二、安培分子电流假说,在原子、分子等物质微粒内部，存在着一种环形电流-分子电流。 分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它相当于两个磁极,N,S,磁体被磁化,分子电流,磁场,磁体的周围存在磁场,电流周围存在磁场奥斯特实验,运动的电荷周围存在磁场罗兰实验,安培分子环流假说,所有磁场均产生于运动电荷。-磁现象的电本质,三、磁化现象,如果每个微小的磁体的取向大致相同，整个物体对外就

2、显示磁性。 一个原来不具有磁性的物体，在磁场中它具的磁性，这种现象叫磁化。,N,S,一、磁场,1.磁场：一种看不见、摸不着、存在于电流或磁体周围的物质，它传递着磁相互作用,2.基本性质：磁场对处于其中的磁体、电流和运动电荷有力的作用,3.磁场的方向：小磁针N极所受磁场力的方向，或小磁针静止时N极所指的方向,5.地球的磁场：地球本身就是一个大磁体，,4.磁现象的电本质：磁铁的磁场和电流的磁场都是由电荷的运动产生的,地磁场的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近地球的地磁场两极和地理两极不重合，形成了磁偏角； 地磁场B的水平分量总是从地球南极指向北极，而竖直分量则南北相反，在南半球垂直地面向上，在

3、北半球垂直地面向下； 在赤道平面上，距离地球表面相等的各点，磁感应强度相等，且方向均水平,地磁场的三个特点是：,第二部分:磁感线,一. 磁感线,(1).磁感线是用来形象描绘磁场的一系列线,(2).磁感线是不存在的,(3).对磁体的磁感线，在磁体的外部是从N出发到S进入,(4).磁感线一定是闭合的曲线,(5).磁感线某点的切向方向为该点小磁针N的指向，即为该点的磁场方向,(6).磁感线越密的地方磁感应强度越大,1、磁体的磁感线,2、电流的磁感线,二、电流的磁场方向的判断1：直线电流的磁场。 -安培定则2：环形电流的磁场。 -安培定则 -右手螺旋定则3：通电螺线管的磁场。 -右手螺旋定则,1、直线

4、电流的磁场方向的判断,安培定则右手螺旋定则,直线电流的磁场,特点：无磁极、非匀强且距导线越远处磁场越弱,立体图,横截面图,纵截面图,判定：安培定则,2、环形电流的磁场方向的判断,安培定则右手螺旋定则,立体图,横截面图,纵截面图,判定：安培定则,环形电流的磁场,特点：环形电流的两侧是N极和S极且离圆环中心越远磁场越弱。,3、通电螺线管的磁场方向的判断,安培定则右手螺旋定则,通电螺线管的磁场,特点：与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场且磁场由S极指向N极，管外为非匀强磁场。,立体图,横截面图,纵截面图,判定：安培定则,例：在图中，当电流逆时针通过圆环导体时，在导体中央的小磁针的N极将指向_,指向读

5、者,例.如图所示，一小磁针静止在通电螺线管的内部，请分别标出通电螺线管和小磁针的南北极。,S,N,N,S,有两条垂直交叉但不接触的导线，通以大小相等的电流，方向如图所示，问哪些区域中某些点的磁感强度B可能为零？( ) A仅在象限； B仅在象限； C在象限； D在象限、； E在象限、,E,磁感应强度的定义式 B的大小与F、IL均无关 导线一定要垂直放置在磁场中 单位：特斯拉(1T=1N/Am) 地磁场：0.310-40.710-4T 磁场方向总是与F 的方向垂直，由左手定则进行判断。,第三部分：磁感应强度和磁通量,IL,、磁感应强度,磁通量：穿过某一面积磁感线的条数(用表示)大小：=BS (S为

6、垂直于磁场的面积)标量：没有方向，它只是条数，但有正负单位：韦伯(Wb) 磁通密度： B=/S -磁感应强度又叫磁通密度 -垂直穿过1m2面积的磁感线条数 1T=1Wb/m2。 在匀强磁场中，当B与S的夹角为时，有=BSsin。,2、磁通量,对磁通量的理解,BS的含义,BS只适用于磁感应强度B与面积S垂直的情况当S与垂直于B的平面间的夹角为时，则有BScos.可理解为B(Scos)，即 等于B与S在垂直于B方向上投影面 积的乘积如图所示；也可理解为 (Bcos)S，即等于B在垂直于 S方向上的分量与S的乘积,S不一定是某个线圈的真正面积，而是线圈在磁场范围内的面积如图所示，S应为线圈面积的一半

7、,面积S的含义：,多匝线圈的磁通量：多匝线圈内磁通量的大小与线圈匝数无关，因为不论线圈匝数多少，穿过线圈的磁感线条数相同，而磁感线条数可表示磁通量的大小,合磁通量求法 若某个平面内有不同方向和强弱的磁场共同存在，当计算穿过这个面的磁通量时，先规定某个方向的磁通量为正，反方向的磁通量为负，平面内各个方向的磁通量的代数和等于这个平面内的合磁通量,4、磁场的叠加：磁感应强度是矢量，计算时与力的计算方法相同，利用平行四边形定则或正交分解法进行合成与分解,【例与练】如图 所示，两个同心放置的金属圆环，条形磁铁穿过圆心且与两环平面垂直，通过两圆环的磁通量a、 b 的关系为( ) Aab Ba b Ca b

8、 D不能确定,A,【例与练】有一小段通电导线，长为1 cm，电流强度5 A，把它置于磁场中，受到的磁场力为0.1 N，则该处的磁感应强度B一定是( ) A.B=2T B.B2 T C.B2T D.以上情况均可能,C,两面积内的磁通量相等吗？,B,B,S,S,例1、如图所示，大圆导线环A中通有电流 I，方向如图。另在导线环所在的平面画了一个圆B，它的一半面积在A环内，一半面积在A环外。则圆B内的磁通量下列说法正确的是： （A）圆B内的磁通量垂直纸面向外 （B）圆B内的磁通量垂直纸面向里 （C）圆B内的磁通量为零 （D）条件不足，无法判断,B,A,答案：,B,安培力：磁场对电流的作用力-安培力(磁

9、场力) (1).当电流与磁场垂直时，安培力的大小： FBIL,第四部分：安培力,1、安培力的大小F=ILBSin,不受力,受力最大,受力,a,b,b,c,b图中安培力如何计算？,一、安培力 1.安培力大小的计算 (1)通电导线垂直于磁场方向时，F=BIL (2)通电导线与磁场方向平行时，F= . (3)若B与I(L)夹角为时，F= . 注：公式的适用条件一般只适用于匀强磁场.,0,BILsin,一、安培力有什么特点？ 1.大小特点 (1)不仅与B、I、L有关，还与放置方式有关. (2)L是有效长度，不一定是导线的实际长度.弯曲导线的有效长度L等于两端点所连直线的长度(如图所示)，相应的电流方向

10、，沿L由始端流向末端.因为任意形状的闭合线圈，其有效长度L=0，所以通电后在匀强磁场中，受到的安培力的矢量和一定为零.,3.安培力做功的特点 (1)安培力做功与路径有关，绕闭合回路一周，安培力做的功可以为正，可以为负，也可以为零，而不像重力和电场力做功一定为零. (2)安培力做功的实质：起传递能量的作用，将电源的能量传递给通电直导线，而磁场本身并不能提供能量，安培力这种传递能量的特点，与静摩擦力做功相似.,2、安培力方向的判断： 安培力的方向左手定则 伸开左手，使大姆指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线穿过手心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么大姆指所指的方向

11、就是通电导线所受的安培力方向。,3.通电导体在安培力作用下的运动 情况的分析方法： (1).电流元分析法 (2).特殊位置法 (3).等效法 (4).推论法,方法：,电流元分析法： 【 例1】如图11-2-7所示，把一重力不计的通电导线水平放在蹄形磁铁磁极的正上方，导线可以自由转动，当导线通入图示方向电流I时，导线的运动情况是(从上往下看)( ),A.顺时针方向转动，同时下降； B.顺时针方向转动，同时上升； C.逆时针方向转动，同时下降； D.逆时针方向转动，同时上升；,A,例2：,电流之间的相互作用,磁场：,反相电流相互排斥,同相电流相互吸引,推论法,通以如图所示的电流弹簧会发生什么现象？

12、,第五部分： 有关安培力的定性 分析和定量计算,例1：如图所示的条形磁铁放置在水平桌面上，它的中央正方固定一条直导线，导线与磁铁垂直，给导线通以垂直线面向外的电流，磁铁仍然静止的桌面上，则：（ ）,A磁铁对桌面压力减小，它仍不受桌面摩擦力作用 B磁铁对桌面压力增大，它要受桌面摩擦力作用 C磁铁对桌面压力增大，它仍不受桌面摩擦力作用 D磁铁对桌面压力减小，它要受桌面摩擦力作用,A,例2：一圆形线圈，半径为r，通以电流强度为I的电流，放在光滑水平面上，匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向竖直向下，如图所示（俯视图），则线圈截面上张力大小为： （ ） A2BIr B0.5BIr CBIr D不能求解,

13、C,3.安培力作用下物体的平衡问题 质量为m、长度为L的导体棒MN静止于水平导轨上，通过MN的电流为I，匀强磁场的磁感应强度为B，其方向与导轨平面成角斜向上， 如图所示，求MN 受到的支持力和摩擦力.,【补充,的光滑斜面上，垂直纸面,.在导体棒中的电流,】,如图所示，在倾角为,放置一根长为L,，质量为,m,的直导体棒,.,I,方向垂直纸面向里，欲使导体棒静止在斜面上，下列,外加匀强磁场的磁感应强度,B,的大小和方向正确的是（,）,例:画出通电导体ab所受的磁场力的方向,例：如图所示，空间有匀强磁场，将一导线OA放在xoy平面上通以电流I，导线与ox轴夹角为45，AO导线受到安培力的方向沿z轴的

14、负方向。若将此导线改放在oz轴上并通以沿zo方向的电流，这时导线受安培力的方向沿x轴正方向，则磁场方向为：（ ） A沿x轴正方向 B沿y轴正方向 C沿z轴正方向 D与AO不垂直,BD,例5：如图，相距20cm的两根光滑平行铜导轨，导轨平面倾角为=370，上面放着质量为80g的金属杆ab，整个装置放在B=0.2T的匀强磁场中. (1)若磁场方向竖直向下， 要使金属杆静止在导轨上， 必须通以多大的电流. (2)若磁场方向垂直斜 面向下，要使金属杆静止在 导轨上，必须通以多大的电流。,能力思维方法,【解析】此类问题的共性是先画出侧视图，并进行受力分析.如图所示由平衡条件得 (1)F=BIL=mgta

15、n I=mgtan/BL=15A (2)当磁场垂直斜面向 下时F=BIL=mgsin I=mgsin/BL=12A,【解题回顾】要明确在该题中最后结果并不是很重要，相比而言，此题中的处理问题的方法却是重点，即要先以侧视的方式画出受力图，切记.,例6：如图所示，有一金属棒ab，质量为m = 5g，电阻R = 1，可以无摩擦地在两条平行导轨上滑行。导轨间距离为d = 10cm，电阻不计。导轨平面与水平面的夹角=30，整个装置放在磁感应强度B = 0.4T的匀强磁场中，磁场方向竖直向上。电源的电动势E = 2V，内电阻r = 0.1，试求变阻器取值是多少时，可使金属棒静止在导轨上。,例7:如图所示,

16、粗细均匀的金属杆长为0.5m,质量为10g,悬挂在两根轻质绝缘弹簧下端,并处于垂直纸面向外的匀强磁场中,磁场的磁感应强度B = 0.49T.弹簧的劲度系数k = 9.8N/m.试求弹簧不伸长时,通入金属杆中的电流大小和方向?要使金属杆下降落1cm后能够静止下来,通入金属杆中的电流大小和方向?要使金属杆上升1cm后静止,则通入的电流大小和方向又如何?,例8:在磁感应强度B = 0.08T,方向竖直向下的匀强磁场中,一根长l1 = 20cm,质量m = 24g的金属横杆水平地悬挂在两根长均为24cm的轻细导线上,电路中通以图示的电流,电流强度保持在2.5A,横杆在悬线偏离竖直位置=300处时由静止

17、开始摆下,求横杆通过最低点的瞬时速度大小.,延伸拓展,例9:如图所示,两根平行光滑轨道水平放置，相互间隔d=0.1m,质量为m=3g的金属棒置于轨道一端.匀强磁场B=0.1T,方向竖直向下,轨道平面距地面高度h=0.8m,当接通开关S时,金属棒由于受磁场力作用而被水平抛出,落地点水平距离s=2m,求接通S瞬间,通过金属棒的电量.,【解析】此题导体运动的过程实际上分为两个，一是加速度过程，此过程中牵涉到安培力的问题；二是平抛运动.而问题的关键在两种运动连结点上的 速度，此速度可以说是承上启下. 先由平抛运动确定其平抛初速度： h=gt/2、s=vt解得：v=5m/s 而该速度亦为水平加速的末速此

18、后的问题可用动量定理来求解： 即：BILt=mv且q=It=mv/BL=1.5C,【解题回顾】对于短时间内的打击或冲击问题是动量定理最应当优先考虑的，而在此题中似乎并无电量问题，但有电流，电流与电量的关系中恰好有时间关系，即要考虑力的时间作用效果，综合上述内容，故考虑用动量定理.,第六部分电流表的工作原理,2、电流表的工作原理,二、电流表的工作原理 1.磁电式电流表的构造如图所示.,2.如图中蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布的.不管通电线圈在磁场中转到什么位置，线圈平面都跟 平行，线圈受到的安培力矩 M=nBIS保持不变.当线圈 转动某一角度，螺旋弹簧 的阻力矩M与安培力矩 M大小相等时

19、线圈停止转动，,磁感线,电流表的工作原理,1.辐向磁场使得线圈在任意位置所受的磁力矩总是： M=nBIS 与转动的角度无关，只跟电流强度成正比 2.螺旋弹簧的扭转力矩与转动角成正比 3.电流表的指针的偏转角度与电流强度成正比。因此电流表的刻度是均匀的。,例6.如图所示，一位于xy平面内的矩形通电线框只能绕ox轴转动，线圈的4个边分别与x、y轴平行，线圈中电流方向如图，当空间加上如下所述的哪种磁场线圈会转动起来： A.方向沿x轴的恒定磁场 B.方向沿y轴的恒定磁场 C.方向沿z轴的恒定磁场 D.方向沿x轴的反方向的恒定磁场,答案：,B,第七部分： 洛伦兹力,(1).在速度垂直于磁场时，洛伦兹力最

20、大(3)洛伦兹力的方向用左手定则(注意：四指的方向为正电荷的运动方向，或负电荷运动的反方向。)(2).洛伦兹力始终垂直于速度，所以洛伦兹力不做功,洛伦兹力,磁场对运动电荷的作用力,洛伦兹力的公式：f=qvB,问题分析：三只带电小球，从同一高度，分别在水平电场、垂直纸面向内的磁场、只有重力作用下自由落下，试分析它们落地的时间、速率。,E,B,例11显像管的磁偏转线圈由两个半圆铁芯上绕以导线制成，如图所示当线圈中通以图示电流，并在圆环中心（显像管的轴线方向）有垂直纸面向外的阴极电子束运动时，这些电子将 A向左偏转 B向右偏转 C向下偏转 D向上偏转,答案:D,带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动,注

21、意：周期与运动速度无关,例1：两个粒子带电量相等，在同一匀强磁场中只受磁场力而做匀速圆周运动，则( ) A.若速率相等，则半径相等 B.若速率相等，则周期相等 C.若动量大小相等，则半径相等 D.若动能相等，则周期相等,C,:轨迹问题的定性分析,例2：如图所示，在长直导线中有恒电流I通过，导线正下方电子初速度v方向与电流I的方向相同，电子将 A.沿路径 a 运动，轨迹是圆 B.沿路径 a 运动， 轨迹半径越来越大 C.沿路径 a 运动， 轨迹半径越来越小 D.沿路径 b 运动， 轨迹半径越来越大,例3.一带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场，粒子的一段径迹如图，径迹上每一段都可看成园弧，由

22、于带电粒子使沿途中空气电离，粒子的能量逐渐减少(电量不变),则可判断: A、粒子从a b ，带正电； B、粒子从b a ，带负电； C、粒子从a b ，带正电； D、粒子从b a， 带负电。,a,b,答案：B,:带电粒子在磁场中的运动的定量计算：方法：定圆心，找半径,已知入射方向和出射方向,已知入射方向和出射点,在磁场中的运动时间,带电粒子在不同边界磁场中的运动,直线边界(进出磁场具有对称性，如图),平行边界(存在临界条件，如图),圆形边界(沿径向射入必沿径向射出，如图),例5:垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的条形区域内,磁感应强度为B.一个质量为m,电量为q的粒子以一定的速度垂直于磁场

23、边界方向从点垂直飞入磁场区,如图所示, 当它飞离磁场区时,运动方 向偏转角.试求粒子的运 动速度v以及在磁场中 运动的时间t.,0,解析：,例6.一足够长的矩形区域abcd内充满磁感应强度为B方向垂直纸面向里的匀强磁场,现从矩形区域ad的中点0处,垂直磁场射入一速度方向跟ad边夹角为300,大小为v0的带电粒子,已知粒子质量为m,电量为q,ad边长为L,ab边足够长,重力忽略不计.求(1)粒子能从ab 边射出v0的大小范围.(2)粒子在磁场中运动的最长时间.,V0,a,b,c,d,O,D,v,f,例7： 一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于x轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区

24、域，为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于x轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感强度为B的匀强磁场若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径重力忽略不计,例8图中的S是能在纸面内的360方向发射电子的电子源，所发射出的电子速率均相同MN是一块足够大的竖直挡板，与电子源S的距离OS=L，挡板的左侧分布着方向垂直与纸面向里的匀强磁场，磁感强度为B设电子的质量为m，带电量为e，求： （1）要使电子源发射的电子能达到档板，则发射的电子速率至少要多大？ （2）若电子源发射的电子速率为eBL/m， 挡板被电子击中的范围有多大？要求 在图中画出能击中挡板的距O点上下最 远

25、的电子运动轨迹,v,f,V1,f1,v2,f2,例9.如图所示,在直角坐标系的第一,二象限内有垂直于纸面的匀强磁场,第三象限有沿Y轴负方向的匀强电场,第四象限内无电场和磁场.质量为m,带电量为q的粒子从M点以速度v0沿X轴负方向进入电场,不计粒子的重力,粒子经X轴上的N和P点最后又回到M点.设OM=OP=l,ON=2l.求： (1)带电粒子的电性,电场强度E的大小 (2)匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向 (3)粒子从M点进入电场,经N,P点 最后又回到M点所用的时间,【例与练】如图所示，空间存在水平方向的匀强电场 E 和垂直纸面向外的匀强磁场 B，一个质量为 m、带电量为q 的小球套在不光滑的足够长的竖直绝缘杆上，自静止开始下滑，则（ ） A小球的动能不断增大，直到某一最大值 B小球的加速度不断减小，直至为零 C小球的加速度先增大后减小，最终为零 D小球的速度先增加后减小，最