大学物理i电磁学磁场省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第1页第二节第2页一、一、电流强度电流强度形成电流条件形成电流条件:在导体内有能够自由移动电荷或叫载流子(如在导体内有能够自由移动电荷或叫载流子(如在半导体中载流子有电子或空穴;在金属中是电在半导体中载流子有电子或空穴;在金属中是电子;在电解质溶液中是离子)。子;在电解质溶液中是离子)。在导体内要维持一个电场,或者说在导体两在导体内要维持一个电场,或者说在导体两端要存在有电势差。端要存在有电势差。在导体或在导体或电解质溶液中电解质溶液中电流称为电流称为传导电流传导电流。第3页+电流强度电流强度定义为经过截面定义为经过截面S 电荷随时间电荷随时间改变率改变率为电子为电子漂移速度漂移速度大小大小单
2、位单位:A,mA,要求正电荷流动方向为正方向。要求正电荷流动方向为正方向。第4页几个经典电流分布几个经典电流分布粗细均匀金粗细均匀金属导体属导体粗细不均匀金粗细不均匀金属导线属导线半球形接地电极半球形接地电极附近电流附近电流电阻法勘探矿藏电阻法勘探矿藏时电流时电流同轴电缆中漏同轴电缆中漏电流电流第5页 2、电流密度电流密度矢量矢量该点该点正正电荷电荷运动方向运动方向方向方向要求:要求:大小大小要求:等于在单位时间内过该点附近垂直要求:等于在单位时间内过该点附近垂直于正电荷运动方向单位面积电荷于正电荷运动方向单位面积电荷当经过任一截面电量不均匀时,用电流强度来描述就当经过任一截面电量不均匀时,用
3、电流强度来描述就不够用了,有必要引入一个描述空间不一样点电流大不够用了,有必要引入一个描述空间不一样点电流大小。小。第6页 恒恒 定定 电电 流流 电流连续性方程电流连续性方程 电流稳恒条件电流稳恒条件SI 若闭合曲面若闭合曲面 S 内电荷不随时间而内电荷不随时间而改变,有改变,有 单位时间内经过闭合曲面向外流出电荷,等于此时单位时间内经过闭合曲面向外流出电荷,等于此时间内闭合曲面里电荷降低许间内闭合曲面里电荷降低许.第7页恒定电场恒定电场 1)在恒定电流情况下,导体中电荷分布不随)在恒定电流情况下,导体中电荷分布不随时间改变形成恒定电场;时间改变形成恒定电场;2)恒定电场)恒定电场与静电场含
4、有相同性质与静电场含有相同性质(高斯定(高斯定理和环路定理),理和环路定理),恒定电场可引入电势概念;恒定电场可引入电势概念;恒恒 定定 电电 流流 导体内载流子定向运动是在稳恒电场作用下形导体内载流子定向运动是在稳恒电场作用下形成。成。第8页第二节第9页一、非静电力一、非静电力用导线连接两个带电导体用导线连接两个带电导体 伴随自由电荷不停迁移,两导体上电荷量逐伴随自由电荷不停迁移,两导体上电荷量逐步降低,导体间电势差减小,导线中电流逐步减步降低,导体间电势差减小,导线中电流逐步减小。小。第10页 要在导体内形成恒定电流,就必须在导体内建要在导体内形成恒定电流,就必须在导体内建立一个恒定电场。
5、立一个恒定电场。完成这一过程必须有一个提供完成这一过程必须有一个提供非静电力非静电力装置,装置,即电源。即电源。电源不停消耗其它形式能量克服静电力做功。凡电源不停消耗其它形式能量克服静电力做功。凡电源内部都有电源内部都有非静电力非静电力。第11页3.电源、电动势电源、电动势第12页内电路:内电路:电源内部正负两极之间电路。非静电力电源内部正负两极之间电路。非静电力使正电荷由负极经电源内部抵达正极。使正电荷由负极经电源内部抵达正极。外电路:外电路:电源外部正负两极之间电路。静电力使正电源外部正负两极之间电路。静电力使正电荷由正极经电源外部抵达负极。电荷由正极经电源外部抵达负极。类似定义场强方法来
6、定义非静电力场强,单类似定义场强方法来定义非静电力场强,单位正电荷所受非静电力称为非静电力场强。位正电荷所受非静电力称为非静电力场强。第13页 把电荷把电荷q q由负极移向正极由负极移向正极(经电源内部经电源内部)非静非静电力作功电力作功二、电动势二、电动势电动势:电动势:把单位正电荷经电源内部由负极移向正极把单位正电荷经电源内部由负极移向正极过程中,非静电力所作功。过程中,非静电力所作功。电源电动势方向电源电动势方向:要求自负极经内电路指向正极。要求自负极经内电路指向正极。若电动势存在于整个电流回路若电动势存在于整个电流回路L,可写作,可写作第14页第一节第15页司南第16页第17页第18页
7、第19页第20页第21页第22页 地核每4比地壳多转一周地壳地壳地壳地壳地核地核地幔地幔N NS S 地球磁极每隔地球磁极每隔几千年会发生颠几千年会发生颠倒倒第23页磁双极不可分第24页奥斯特试验第25页双电流作用第26页电子束偏转第27页 电与磁是相互关联,密不可分。磁现象电与磁是相互关联,密不可分。磁现象微观微观基础基础是什么?是什么?安培认为:安培认为:磁现象本质是电流,物质磁性起源于磁现象本质是电流,物质磁性起源于“分子分子”电流。电流。1)每个分子相当于一个每个分子相当于一个环形电流环形电流.2)磁铁最小基元由磁铁最小基元由分子电流分子电流组成组成3)假如分子电流排列整齐,宏观上展现
8、磁性。假如分子电流排列整齐,宏观上展现磁性。二、安培分子电流假说二、安培分子电流假说结论:结论:磁现象根源是电荷运动。磁现象根源是电荷运动。第28页磁起源结论第29页一系列试验表明一系列试验表明 磁铁磁铁 磁铁磁铁 电流电流 电流电流都存在相互作用都存在相互作用磁场磁场全部这些相互作用都是经过全部这些相互作用都是经过磁场磁场来传递来传递.磁场磁场和电场一样和电场一样,是一个特殊是一个特殊物质物质.一切一切磁现象磁现象起源于电荷运动起源于电荷运动.静止电荷静止电荷在其周围产生电场在其周围产生电场.运动电荷运动电荷在其周围空间产生磁场,又产生电场在其周围空间产生磁场,又产生电场.第30页电荷电荷静
9、止电荷静止电荷电场电场电场强度电场强度运动电荷运动电荷运动电荷运动电荷磁场磁场磁感应强度磁感应强度第31页第二节第32页磁场第33页磁感应强度第34页三三、磁力线、磁力线(1 1)曲线上每一点曲线上每一点切线切线方向为该点磁场方向。方向为该点磁场方向。(2 2)经过垂直于磁场方向单位面积磁力线数为经过垂直于磁场方向单位面积磁力线数为该点磁感应强度大小该点磁感应强度大小.1.1.画法画法(1)(1)两条磁感线不能相交;两条磁感线不能相交;(2)(2)磁感线是围绕电流闭合曲线。磁感线是围绕电流闭合曲线。2.2.性质性质第35页3.3.磁感线与电流关系磁感线与电流关系第36页4 4、经典电流磁感线、
10、经典电流磁感线II(1 1)载流长直导线)载流长直导线(2 2)载流圆线圈)载流圆线圈 第37页(3 3)载流直螺线管)载流直螺线管 I(4 4)载流环形螺线管)载流环形螺线管 I第38页第三节第39页电流元第40页毕萨定律第41页应用第42页说明第43页例第44页例第45页例第46页例第47页例第48页小结第49页运动电荷磁场第50页例第51页例第52页第四节第53页磁感应线第54页图象第55页磁通量第56页续上第57页例第58页例第59页续第60页磁场高斯定理第61页安培环路定理第62页比较通通 量量环环 量量第63页例第64页应用举例第65页例第66页例第67页例第68页例第69页第六节
11、第70页现象第71页安培定律第72页积分法求磁力第73页例第74页例第75页例第76页例第77页例第78页例第79页1安培定义第80页电磁炮第81页第七节第82页现象第83页磁力矩第84页续上第85页平衡第86页例第87页例匀强匀强第88页磁力矩功第89页例第90页第五节第91页洛仑兹力第92页电磁协力第93页带电粒子磁运动第94页圆运动第95页螺线运动第96页螺距第97页磁聚焦原理第98页磁聚焦側视第99页磁镜第100页AMS磁谱仪第101页续32同上同上第102页续33同上第103页范艾仑带第104页霍耳效应第105页续上第106页续上第107页高斯计第108页例第109页测半导体第110
12、页静止电荷或运动电荷受到电场力静止电荷或运动电荷受到电场力运动电荷受到磁场力(洛仑兹力)运动电荷受到磁场力(洛仑兹力)7 7 带电粒子在电场和磁场中运动应用带电粒子在电场和磁场中运动应用 运动电荷在电场和磁场中受力运动电荷在电场和磁场中受力第111页J.J.Thomson在剑桥卡文迪许试验室从事在剑桥卡文迪许试验室从事X射线和射线和稀薄气体放电研究工作时,经过电场和磁场对阴稀薄气体放电研究工作时,经过电场和磁场对阴极射线作用,得出了这种射线不是以太波而是物极射线作用,得出了这种射线不是以太波而是物质质粒结论,测出这些质粒荷质比质质粒结论,测出这些质粒荷质比(电荷与质量电荷与质量之比),发觉了电
13、子。之比),发觉了电子。一、荷质比测定一、荷质比测定 荷质比是荷质比是18971897年年J.J.Thomson J.J.Thomson 测定,即使当测定,即使当初已经有大西洋电缆,但对什么是电尚不清楚,初已经有大西洋电缆,但对什么是电尚不清楚,有些人认为电是以太活动。有些人认为电是以太活动。第112页试验装置图试验装置图在电子经过路径上施加相互垂直电场与磁场,利在电子经过路径上施加相互垂直电场与磁场,利用带电粒子在电场与磁场作用下发生偏转测出电用带电粒子在电场与磁场作用下发生偏转测出电子荷质比。子荷质比。试验原理试验原理第113页试验过程试验过程(1)电子受磁力和电力平衡,在显示器上不发生电
14、子受磁力和电力平衡,在显示器上不发生偏转,从而测出电子流速度。偏转,从而测出电子流速度。(2)去掉电场,电子流只在磁场作用下偏转。去掉电场,电子流只在磁场作用下偏转。荷质比荷质比由荧光屏上光由荧光屏上光点位置确定点位置确定第114页讨论讨论1、第一次发觉了电子,是含有开创性试验发觉该荷质比约比氢离子荷质比大1000倍说明带电质粒是比原子更小质粒,以后这种质粒被称为电子。用不一样金属做试验做出来比值一样2、19,Milikan测电荷,发觉各种各样电荷总是某一个值整数倍发觉电子量子化3、19Kaufmann发觉荷质比随速度改变,那么终究是荷还是质随速度改变?第115页荷变还是质变?荷变还是质变?电
15、荷随速度改变吗?对电中性物质加热,电子电荷随速度改变吗?对电中性物质加热,电子速度改变没有破坏电中性,电荷不随速度改变。速度改变没有破坏电中性,电荷不随速度改变。应该是质量随速度改变应该是质量随速度改变 荷质比测量意义荷质比测量意义1 1、电子是第一个被发觉基本粒子、电子是第一个被发觉基本粒子 2 2、搞清楚什么是电、搞清楚什么是电 3 3、发觉了速度效应,提供狭义相对论主要试验基、发觉了速度效应,提供狭义相对论主要试验基础础第116页二、霍耳效应二、霍耳效应霍尔电势差经验公式为:霍尔电势差经验公式为:RH与材料性质与材料性质及环境温度相及环境温度相关关经典霍耳效应是经典霍耳效应是1879年德
16、国物理学家年德国物理学家Hall发觉发觉 第117页霍尔效应原因:是因为磁场对导体(半导体)内霍尔效应原因:是因为磁场对导体(半导体)内运动电荷洛伦兹力作用所引发效应。运动电荷洛伦兹力作用所引发效应。正、负电荷在导体两侧积累形成附加电场,当运正、负电荷在导体两侧积累形成附加电场,当运动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时I+-第118页得得霍耳系数霍耳系数霍耳电压霍耳电压设带电粒子浓度为设带电粒子浓度为n,则电流为:,则电流为:与霍尔电势差经验公式与霍尔电势差经验公式 比较比较取决于载流子浓度和带电取决于载流子浓度和带电正、负,可正、可负。正、负,可正、可负。第1
17、19页霍耳效应应用霍耳效应应用2 2)测量磁场测量磁场霍耳电压霍耳电压1 1)判断半导体类型判断半导体类型正、负取决于载流子正负正、负取决于载流子正负q0,UH0,P型半导体型半导体q0,UH0,N型半导体型半导体从霍尔系数测量值正、负能够判断导体载流子从霍尔系数测量值正、负能够判断导体载流子荷电性质荷电性质 第120页三、盘旋加速器三、盘旋加速器劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动基本劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动基本原理,原理,1932年制造了世界第一台带电粒子盘旋加年制造了世界第一台带电粒子盘旋加速器。此加速器可将质子和氘核加速到速器。此加速器可将质子和氘核加速到1MeV能量,能量,为
18、此为此1939年劳伦斯取得诺贝尔物理学奖年劳伦斯取得诺贝尔物理学奖.电粒子盘旋加速器制造标志着人类能够利用电粒子盘旋加速器制造标志着人类能够利用加速器实现高能粒子、粒子之间方向,打开了神加速器实现高能粒子、粒子之间方向,打开了神秘粒子物理学大门。秘粒子物理学大门。第121页第122页盘旋加速器原理图盘旋加速器原理图NSBO两个半圆形两个半圆形D形金属盒,形金属盒,放置在垂直于放置在垂直于D形金属形金属盒面磁场中,在两个盒面磁场中,在两个D形金属盒间隙中施加形金属盒间隙中施加加速粒子交变电场。加速粒子交变电场。金属盒电场屏蔽效应使得金属盒电场屏蔽效应使得D形金属盒内部不受外电场干形金属盒内部不受
19、外电场干扰,所以在其中运动带电粒扰,所以在其中运动带电粒子仅收到磁场作用。子仅收到磁场作用。第123页盘旋共振频率与粒子速盘旋共振频率与粒子速度与半径无关度与半径无关电场改变频率等于带电粒子盘旋共振频率。电场改变频率等于带电粒子盘旋共振频率。确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子盘旋。确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子盘旋。加速带电粒子在加速带电粒子在D形金属盒作圆周运动,出形金属盒作圆周运动,出射最大速率为射最大速率为出射粒子最大动能为出射粒子最大动能为 第124页 我国于我国于19941994年建成第一台年建成第一台强流质子加速强流质子加速器,可产生数器,可产生数十种中短寿命十种中短寿
20、命放射性同位素放射性同位素 .第125页伴随粒子加速能量提升,使得粒子速度非常伴随粒子加速能量提升,使得粒子速度非常大,此时需要考虑相对论效应:大,此时需要考虑相对论效应:此时带电粒子盘旋周期:此时带电粒子盘旋周期:与粒子速率相关,盘旋加速器不可能把粒子加速与粒子速率相关,盘旋加速器不可能把粒子加速到很高速率到很高速率第126页完第127页第九章第九章 介质中磁场介质中磁场磁介质:磁介质:能够影响磁场物质。能够影响磁场物质。物质磁化:物质磁化:在外磁场作用下磁介质出现磁性或在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生改变现象称磁性发生改变现象称磁化磁化。磁介质被磁化后,会。磁介质被磁化后,会产生产生
21、附加磁场附加磁场,从而改变原来空间磁场分布。,从而改变原来空间磁场分布。第128页1 1 磁介质磁化磁介质磁化真空中磁场真空中磁场介质磁化后附加磁场介质磁化后附加磁场介质中磁场介质中磁场在介质均匀充满磁场情况下在介质均匀充满磁场情况下顺磁质:顺磁质:磁介质在磁化过程中,磁介质所产生附磁介质在磁化过程中,磁介质所产生附加磁场与外磁场方向相同。加磁场与外磁场方向相同。一、磁介质分类一、磁介质分类第129页铁磁质铁磁质 磁磁介介质质分分类类抗磁质抗磁质弱磁性物质弱磁性物质附加磁场较弱附加磁场较弱强磁性物质强磁性物质 附加磁场较强附加磁场较强抗磁质:抗磁质:磁介质在磁化过程中,磁介质所产生磁介质在磁化
22、过程中,磁介质所产生附加磁场与外磁场方向相反。附加磁场与外磁场方向相反。铁磁质:铁磁质:在外磁场作用下能产生很强附加磁场。在外磁场作用下能产生很强附加磁场。顺磁质顺磁质第130页 分子电流:分子电流:把分子或原子看作一个整体,分子或把分子或原子看作一个整体,分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应总和,可用原子中各个电子对外界所产生磁效应总和,可用一个等效圆电流表示,统称为一个等效圆电流表示,统称为分子电流分子电流。分子磁矩分子磁矩:把分子所含有磁矩统称为分子磁矩,用符把分子所含有磁矩统称为分子磁矩,用符号号 表示。表示。二、介质磁化微观机制二、介质磁化微观机制1顺磁质:顺磁质:分子固有磁矩不为
23、零。即:分子固有磁矩不为零。即:无外磁场无外磁场时,时,因为热运动,分子固磁矩排列混乱,在因为热运动,分子固磁矩排列混乱,在 V体积体积内,分子固有内,分子固有磁矩矢量和磁矩矢量和为零,为零,对外,对外不显出磁性。不显出磁性。第131页 V 有磁场时,分子固有磁矩沿着外磁场方向排列,有磁场时,分子固有磁矩沿着外磁场方向排列,在宏观上任意体积内在宏观上任意体积内,分子固有磁矩矢量之和不为分子固有磁矩矢量之和不为零,对外零,对外显出磁性显出磁性。VB0第132页 当外磁场越当外磁场越强强、分子固磁矩排列越整齐、所产、分子固磁矩排列越整齐、所产生生附加磁场越强附加磁场越强。在磁介质在磁介质 V内内,
24、pm 0,pm 排列整齐排列整齐,产生附加产生附加磁场磁场B 2 2 电子进动电子进动处于外磁场中分子,电子轨道运动受力矩处于外磁场中分子,电子轨道运动受力矩在力矩作用下,电子角动量绕外磁场方向在力矩作用下,电子角动量绕外磁场方向进动进动。因为进动,电子产生了因为进动,电子产生了附加磁矩附加磁矩.第133页e角动量角动量不论电子轨道运动方向怎样,不论电子轨道运动方向怎样,附加磁矩总与外磁场方向相反。附加磁矩总与外磁场方向相反。对自旋磁矩,外磁场也有一对自旋磁矩,外磁场也有一样作用。样作用。对顺磁质对顺磁质附加磁矩能够忽略附加磁矩能够忽略 电子轨道平面电子轨道平面第134页电子进动电子进动第13
25、5页3 抗磁质抗磁质抗磁质分子固有磁矩为零抗磁质分子固有磁矩为零即:即:无外磁场时,无外磁场时,pm=0,对外对外不显不显出磁性出磁性即使抗磁质分子固有磁矩为零(即即使抗磁质分子固有磁矩为零(即 pm=0),不,不过在外磁场作用下,电子角动量绕外磁场方向过在外磁场作用下,电子角动量绕外磁场方向进进动动。因为电子进动,产生与外磁场方向相反附加磁矩因为电子进动,产生与外磁场方向相反附加磁矩附加磁矩产生附加磁场和外磁场相反。所以抗附加磁矩产生附加磁场和外磁场相反。所以抗磁质磁化结果使介质内部磁质磁化结果使介质内部磁场减弱磁场减弱。第136页 采取采取磁化强度磁化强度来定量描述磁介质在外场中磁来定量描
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