磁力教學(xué)課件PPT磁力

1、第第 6 6 章章 磁力磁力 一、一、磁力與電荷的運動磁力與電荷的運動 二、二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 三、三、帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動 四、四、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 五、五、載流導(dǎo)線在磁場中受的力載流導(dǎo)線在磁場中受的力 一、磁力與電荷的運動一、磁力與電荷的運動 1. 磁性磁性 q天然磁鐵天然磁鐵（fe3o4）或人造磁鐵具有能吸引或人造磁鐵具有能吸引 鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的特性鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的特性：磁性磁性； q 磁鐵具有磁極磁鐵具有磁極：n極、極、s極極，n極、極、s極同時極同時 存在，不可分割存在，不可分割（磁單極子不存在（磁單極子不存在）；）； q磁極之間有相互作

2、用力磁極之間有相互作用力：磁力磁力。同號磁極相同號磁極相 斥，異號磁極相吸。斥，異號磁極相吸。 一、磁力與電荷的運動一、磁力與電荷的運動 2. 歷史歷史 q18191819年：奧斯忒年：奧斯忒 發(fā)現(xiàn)電流對小磁針發(fā)現(xiàn)電流對小磁針 的作用；的作用； q戰(zhàn)國時期（公元前戰(zhàn)國時期（公元前300300年）有年）有“磁石磁石”等記載等記載 q東漢時期王充：東漢時期王充：“司南司南”指南的記載描述；指南的記載描述； q11世紀(jì)：指南針；世紀(jì)：指南針； 一、磁力與電荷的運動一、磁力與電荷的運動 q1820年：安培發(fā)現(xiàn)磁鐵對載流導(dǎo)線或載流線年：安培發(fā)現(xiàn)磁鐵對載流導(dǎo)線或載流線 圈的作用；圈的作用； q磁鐵對陰極射

3、線的作磁鐵對陰極射線的作 用；平行的載流導(dǎo)線之用；平行的載流導(dǎo)線之 間的相互作用；間的相互作用； q18221822年：安培年：安培分子電流分子電流觀點觀點：認(rèn)為一切磁現(xiàn)認(rèn)為一切磁現(xiàn) 象的根源是運動的電荷（即電流）。象的根源是運動的電荷（即電流）。 一、磁力與電荷的運動一、磁力與電荷的運動 3. 磁力產(chǎn)生的根源磁力產(chǎn)生的根源 結(jié)論：結(jié)論： 磁力都是運動電荷之間相互作用的表現(xiàn)。磁力都是運動電荷之間相互作用的表現(xiàn)。 q分子電流分子電流 q永磁體永磁體 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 1. 磁場磁場 運動電荷在其周圍空間除了產(chǎn)生電場，還產(chǎn)生運動電荷在其周圍空間除了產(chǎn)生電場，還產(chǎn)生 了了磁場

4、磁場。 磁場磁場運動電荷運動電荷運動電荷運動電荷 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 2. 運動電荷受的力運動電荷受的力 r電場力電場力 eqfe r洛侖茲力洛侖茲力（實驗規(guī)律）（實驗規(guī)律） bvqfm 電場力，與電荷電場力，與電荷 的運動狀態(tài)無關(guān)的運動狀態(tài)無關(guān) 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 r洛侖茲力公式洛侖茲力公式 bvqeqf 磁場力，運動磁場力，運動 電荷才受磁力電荷才受磁力 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 3. 確定確定 的大小與方向的實驗步驟的大小與方向的實驗步驟 b 將檢驗電荷將檢驗電荷 q 置于電流或者永磁體附近某點置于電流或者永磁體附近某點 e f

5、 q 靜止靜止 q 以某一速度運動以某一速度運動 em fff q 沿某一方向（或其反方向）運動不受磁力沿某一方向（或其反方向）運動不受磁力 的方向的方向 b 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 q 沿任意方向運動時，發(fā)現(xiàn)沿任意方向運動時，發(fā)現(xiàn) bfvf mm , 規(guī)定規(guī)定 的的方向方向 滿足滿足 右手螺旋定則右手螺旋定則。 b 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 bvqfm sinqv f b m 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 的的大小大小 b 記作記作 sinqvbfm 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 4. 磁感磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度 r單位單位 rp. 198 表表7.1 b 特斯拉特斯拉

6、簡稱為簡稱為特特（t t） r是是描述磁場中各點磁場的強(qiáng)弱和方向的物理描述磁場中各點磁場的強(qiáng)弱和方向的物理 量，是矢量點函數(shù)。若磁場中各點都相同，則量，是矢量點函數(shù)。若磁場中各點都相同，則 稱該磁場為勻強(qiáng)磁場。稱該磁場為勻強(qiáng)磁場。 高斯高斯（g g） 1g = 10-4t 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 4. 磁通量磁通量 r磁感磁感應(yīng)線（應(yīng)線（b b 線）線） p. 199 二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度 r磁通量磁通量 s sdb 等于等于通過該面積的磁感應(yīng)線的總根數(shù)通過該面積的磁感應(yīng)線的總根數(shù)。 r磁通量單位磁通量單位 韋伯韋伯 簡稱為簡稱為韋韋（wb） 1 wb =

7、 1tm2 故故 磁感磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度單位單位也可寫成也可寫成 1t = 1 wb /m2 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 1.帶電粒子速度與磁場垂直帶電粒子速度與磁場垂直 bvqfm 大小大小 sinqvbfm 方向方向 m f v b qvb 始終與電荷的運動方向垂直始終與電荷的運動方向垂直 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 回旋半徑回旋半徑 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、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 bvqfm 沿磁場方向沿磁場方向 粒子作粒子作勻速勻速運

8、動運動 v b v / v 0 m f r v mbqvfm 2 2.帶電粒子速度與磁場不垂直帶電粒子速度與磁場不垂直 垂直磁場方向垂直磁場方向 粒子作粒子作勻速勻速圓周圓周運運 動動（回旋運動）（回旋運動） 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 粒子總的運動是一個軸線沿磁場方向的螺旋運粒子總的運動是一個軸線沿磁場方向的螺旋運 動動 / v v v b h 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 螺旋線半徑螺旋線半徑 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 螺旋軌跡的螺距螺旋軌跡的螺距 b h 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 r磁聚焦磁聚焦 會聚到一點的現(xiàn)象與會聚到一點的現(xiàn)象與 透鏡將光束聚焦現(xiàn)象透鏡將光束聚焦現(xiàn)象 十分相似，因此叫十分相似，因此叫磁磁 聚焦聚焦。 3.帶電粒子在磁場中運動舉例帶電粒子在磁場中運動舉例 一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，當(dāng)它們在磁場一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，當(dāng)它們在磁場 b 的方向上具有大致相同的速度分量時，它們有相的方向上具有大致相同的速度分量時，它們有相 同的螺距。經(jīng)過一個周期它們將重新會聚在另一同的螺距。經(jīng)過一個周期它們將重新會聚在另一 點，這種發(fā)散粒子束點，這種發(fā)散粒子束 三、帶電

10、粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 在非均勻磁場中在非均勻磁場中, ,磁場較強(qiáng)的地方，回旋半徑磁場較強(qiáng)的地方，回旋半徑 和螺距都較小。帶電粒子所受洛倫茲力恒有一指和螺距都較小。帶電粒子所受洛倫茲力恒有一指 向磁場較弱方向的分量阻礙其繼續(xù)前進(jìn)，就象遇向磁場較弱方向的分量阻礙其繼續(xù)前進(jìn)，就象遇 反射鏡一樣。反射鏡一樣。 這種強(qiáng)度逐漸這種強(qiáng)度逐漸 增強(qiáng)的磁場稱增強(qiáng)的磁場稱 為為磁鏡磁鏡。 r磁鏡（或磁塞）磁鏡（或磁塞） 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 兩個電流方向相同的線圈產(chǎn)生中間弱兩端強(qiáng)的兩個電流方向相同的線圈產(chǎn)生中間弱兩端強(qiáng)的 磁場。帶電粒子被束縛在兩個磁鏡間的磁

11、場內(nèi)來磁場。帶電粒子被束縛在兩個磁鏡間的磁場內(nèi)來 回運動而不能逃脫。這種束縛帶電粒子的磁場稱回運動而不能逃脫。這種束縛帶電粒子的磁場稱 為為磁瓶磁瓶。 r磁約束磁約束 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 地球的磁場與一個地球的磁場與一個 棒狀磁體的磁場相似棒狀磁體的磁場相似 ，地磁軸與自轉(zhuǎn)軸的，地磁軸與自轉(zhuǎn)軸的 交角為交角為11.50，地磁兩，地磁兩 極在地面上的位置是極在地面上的位置是 經(jīng)常變化的。經(jīng)常變化的。 r范艾侖輻射帶和北極光范艾侖輻射帶和北極光 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 從赤道到地磁的兩極磁場逐漸增強(qiáng)，因此地從赤道到地磁的兩極磁場逐漸增

12、強(qiáng)，因此地 磁場是一個天然的磁約束捕集器，它使來自宇磁場是一個天然的磁約束捕集器，它使來自宇 宙射線和宙射線和“太陽風(fēng)太陽風(fēng)”的帶電粒子圍繞地磁場的的帶電粒子圍繞地磁場的 磁感應(yīng)線做螺旋運動，而在靠近地磁南、北兩磁感應(yīng)線做螺旋運動，而在靠近地磁南、北兩 極處被反射回來。這樣，帶電粒子就在地磁南、極處被反射回來。這樣，帶電粒子就在地磁南、 北兩極之間來回振蕩，直到由于粒子間的碰撞北兩極之間來回振蕩，直到由于粒子間的碰撞 而被逐出為止。而被逐出為止。 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 被地磁場捕獲的罩在地球上空的質(zhì)子層和電被地磁場捕獲的罩在地球上空的質(zhì)子層和電 子層，形成子層，

13、形成范范阿侖阿侖(van allen）輻射帶輻射帶。 范范阿侖輻射帶有兩層阿侖輻射帶有兩層 外層外層 在在 60 000 km 處處 800 km - 4 000 km 內(nèi)層內(nèi)層 地面上空地面上空 三、帶電粒子在磁場中的運動三、帶電粒子在磁場中的運動 在地磁場的南、北兩極附近由于磁感應(yīng)線與地在地磁場的南、北兩極附近由于磁感應(yīng)線與地 面垂直，由外層空間入射的帶電粒子可直接射入面垂直，由外層空間入射的帶電粒子可直接射入 高空大氣層內(nèi)。高空大氣層內(nèi)。 高速帶電粒子與高速帶電粒子與 大氣分子相互碰大氣分子相互碰 撞產(chǎn)生的電磁輻撞產(chǎn)生的電磁輻 射就形成了絢麗射就形成了絢麗 多彩的多彩的極光極光。 四、霍

14、爾效應(yīng)四、霍爾效應(yīng) 1. 實驗現(xiàn)象實驗現(xiàn)象 q把一載流導(dǎo)體薄板放在磁場中時，如果磁場把一載流導(dǎo)體薄板放在磁場中時，如果磁場 方向垂直于薄板平面，則在薄板的上、下兩側(cè)方向垂直于薄板平面，則在薄板的上、下兩側(cè) 面之間會出現(xiàn)微面之間會出現(xiàn)微 弱電勢差，這一弱電勢差，這一 現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為霍耳效霍耳效 應(yīng)應(yīng)，其電勢差稱，其電勢差稱 為為霍耳電壓霍耳電壓。 四、霍爾效應(yīng)四、霍爾效應(yīng) 2. 經(jīng)典理論解釋經(jīng)典理論解釋 q電子受力電子受力evbfm he eef em ff vbhheu hh q平衡時平衡時 nbhqvi nqb ib u h h b n 四、霍爾效應(yīng)四、霍爾效應(yīng) 2. 應(yīng)用應(yīng)用 q判斷半導(dǎo)

15、體的載流子種類（電子、空穴？）。判斷半導(dǎo)體的載流子種類（電子、空穴？）。 四、霍爾效應(yīng)四、霍爾效應(yīng) q磁強(qiáng)計（高斯計）：測量磁場的大小和方向。磁強(qiáng)計（高斯計）：測量磁場的大小和方向。 q磁流體發(fā)電。磁流體發(fā)電。 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 1. 安培力安培力 q實驗發(fā)現(xiàn)，外磁場對載流導(dǎo)線有力的作用，實驗發(fā)現(xiàn)，外磁場對載流導(dǎo)線有力的作用， 這個力稱為這個力稱為安培力安培力。 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q載流導(dǎo)線在磁場中所受到的磁力（安培力）載流導(dǎo)線在磁場中所受到的磁力（安培力） 的的本質(zhì)本質(zhì)是：在洛倫茲力的作用下，導(dǎo)體作定向是：在洛倫

16、茲力的作用下，導(dǎo)體作定向 運動的電子和導(dǎo)體中晶格上的正離子不斷地碰運動的電子和導(dǎo)體中晶格上的正離子不斷地碰 撞，把動量傳給了導(dǎo)體撞，把動量傳給了導(dǎo)體，從而使整個載流導(dǎo)體從而使整個載流導(dǎo)體 在磁場中受到磁力的作用。在磁場中受到磁力的作用。 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 2. 安培力公式安培力公式 q任意任意電流元電流元受力為受力為 blidbvnsdlqfd q整個受力整個受力 l blidf 例例 p.207 lvdqnsvnsdlq 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q例題例題 1 1 在均勻磁場中放置一半徑為在均勻磁場中放置一半徑為 r

17、的半圓形導(dǎo)線，的半圓形導(dǎo)線， 電流強(qiáng)度為電流強(qiáng)度為 i ，導(dǎo)線兩端連線與磁感強(qiáng)度方向，導(dǎo)線兩端連線與磁感強(qiáng)度方向 夾角夾角 = 30 = 30，求此段圓弧電流受的磁力。，求此段圓弧電流受的磁力。 b =30=30 b i a 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q解解 在電流上任取電流元在電流上任取電流元 lid )( )( b a blidf bl di b a )( )( babi sinbabif ibr 方向方向f a b b i =30=30 lid 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 3. 載流線圈在磁場中所受的力矩載流線圈在磁場中所受的

18、力矩 q在均勻磁場中，有一剛在均勻磁場中，有一剛 性矩形載流線圈性矩形載流線圈abcdabcd， 它的邊長分別為它的邊長分別為 l1 和和 l2 ，電流為，電流為i i。線圈法線方。線圈法線方 向向 與電流的流向符合與電流的流向符合 右手螺旋關(guān)系，與磁場右手螺旋關(guān)系，與磁場 的方向夾角為的方向夾角為 。 b n e a a b b c c d d n e l2 i i l1 b 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 a a b b c c d d n e l2 i i l1 b 1 f 1 f q對于導(dǎo)線對于導(dǎo)線 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， 并且在同一直線上，并且在同一直線上， 所以它們的合力及合所以它們的合力及合 力矩都為零。力矩都為零。 11 ff 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q而導(dǎo)線而導(dǎo)線 ab ab 段和段和 cd cd 段所受磁場作用段所受磁場作用 力的大小為：力的大小為： a a（b b） n e i i l1 b 2 f d d（ （c c） 2 f 22 ff 2 bil 因此線圈在磁場中受到一個磁力矩的作用。因此線圈在磁場中受到一個磁力矩的作用。 這兩個力的方向相這兩個力的方向相 反，但不在同一直線反，但不在同一直線 上。上。 五、載流導(dǎo)線在磁

20、場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q線圈在磁場中受到線圈在磁場中受到 的磁力矩的大小為：的磁力矩的大小為： 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、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q定義定義 稱為載流線圈的稱為載流線圈的磁磁 偶極矩偶極矩，簡稱，簡稱磁矩磁矩。 a a（b b） n e i i l1 b 2 f d d（ （c c） 2 f m n eism bmm 則則 m 上式對

21、所有閉合電流均成立上式對所有閉合電流均成立。 磁矩是微觀粒子本身的特性之一。磁矩是微觀粒子本身的特性之一。 磁矩單位磁矩單位am2 或或 nm/t 五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 q幾種特殊情況：幾種特殊情況： 當(dāng)當(dāng) 時，線圈平面時，線圈平面 與與 垂直，垂直， ，此時，此時 線圈處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；線圈處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)； 0 b 0 m 當(dāng)當(dāng) 時，線圈平面時，線圈平面 與與 平行，此時平行，此時 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、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力五、載流導(dǎo)線在磁場中所受的力 當(dāng)當(dāng) 時，線圈平時，線圈平 面與面與 垂直，但載流線垂直，但載流線 圈的圈的 方向與方向與 的方向的方向 相反，相反， ，此時線圈，此時線圈 處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 180 b n e b 0 m a a