稳恒磁场解读.pptx
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1、第4章 稳恒磁场运动电荷(电流)在其周围空间除产生电场外还运动电荷(电流)在其周围空间除产生电场外还产生磁场。产生磁场。历史上很长一段时期,电现象和磁现象的研究彼历史上很长一段时期,电现象和磁现象的研究彼此独立。此独立。1820年年奥斯特:电流可使小磁针偏转;奥斯特:电流可使小磁针偏转;法拉第:磁铁对电流有作用力。法拉第:磁铁对电流有作用力。磁场也是物质存在的一种形式。磁场也是物质存在的一种形式。本章主要讨论恒定电流产生的磁场本章主要讨论恒定电流产生的磁场恒定磁场。恒定磁场。主要内容:主要内容:(1)磁感应强度矢量;磁感应强度矢量;(2)磁场对运动电荷和电流的作用;磁场对运动电荷和电流的作用;
2、(3)磁场的计算、毕奥磁场的计算、毕奥萨伐尔定律;萨伐尔定律;(4)磁场的高斯定理;磁场的高斯定理;(5)磁场的安培环路定理。磁场的安培环路定理。4-1 磁 感 应 强 度1、基本磁现象:基本磁现象:磁性:磁体可吸引铁、镍、钴等物质的性质。磁性:磁体可吸引铁、镍、钴等物质的性质。同名磁极相斥,异名磁极相吸。同名磁极相斥,异名磁极相吸。磁极:磁体上磁性最强处(磁极:磁体上磁性最强处(N极、极、S极)。极)。磁极不可分,总是成对出现。磁极不可分,总是成对出现。地磁:地磁:地磁北极在地理南极附近;地磁北极在地理南极附近;地磁南极在地理北极附近。地磁南极在地理北极附近。以小磁针北极(以小磁针北极(N极
3、)的指向定义为磁场的方向。极)的指向定义为磁场的方向。通电螺线管与磁铁棒有相似的磁性。通电螺线管与磁铁棒有相似的磁性。安培分子电流假设:安培分子电流假设:组成磁铁棒的最小单元(基元磁体)为分子环形电组成磁铁棒的最小单元(基元磁体)为分子环形电流,当它们定向排列时,在磁铁棒表面产生束缚电流,当它们定向排列时,在磁铁棒表面产生束缚电流,与螺线管导线内电流相似。流,与螺线管导线内电流相似。NSNS结论:一切磁现象的本源是运动电结论:一切磁现象的本源是运动电荷(电流)。荷(电流)。电流磁场电流2、磁感应强度磁感应强度 :+q磁场方向磁场方向NS+q+q结果:结果:(1)(2)定义:定义:(1)的大小:
4、的大小:(2)的方向:的方向:与小磁针北极指向相同。与小磁针北极指向相同。的单位:特斯拉的单位:特斯拉高斯高斯磁感应线的切线方向指向磁场方向。磁感应线的切线方向指向磁场方向。通过单位垂直面积的磁感应线数等于通过单位垂直面积的磁感应线数等于磁感应强度的大小。磁感应强度的大小。线性质:线性质:任何两条磁感应线不相交;任何两条磁感应线不相交;磁感应线都是围绕电流的闭合曲线。磁感应线都是围绕电流的闭合曲线。II3、磁感应线(磁感应线(线):线):4-2 磁场对带电粒子的作用1、洛仑兹力:洛仑兹力:一个运动电荷一个运动电荷q在其它运动电荷(或电在其它运动电荷(或电流)周围运动时,会受到电场力和磁流)周围
5、运动时,会受到电场力和磁场力的作用。场力的作用。洛仑兹力垂直于电荷运动速度,它对运动电荷不洛仑兹力垂直于电荷运动速度,它对运动电荷不作功。即洛仑兹力只改变电荷运动的方向,而不改作功。即洛仑兹力只改变电荷运动的方向,而不改变速度的大小。变速度的大小。其中:其中:(与(与q的运动无关)的运动无关)(与(与q的运动有关)的运动有关)称为称为洛仑兹力公式洛仑兹力公式+q-q洛仑兹力2、带电粒子在均匀磁场中的运动:带电粒子在均匀磁场中的运动:由洛仑兹力公式:由洛仑兹力公式:+q设电量为设电量为q,质量为,质量为m的带电粒子以初速度的带电粒子以初速度 进入均匀磁场进入均匀磁场 中。中。即带电粒子作匀速直线
6、运动。即带电粒子作匀速直线运动。带电粒子在垂直于磁场平面带电粒子在垂直于磁场平面内作匀速圆周运动。内作匀速圆周运动。回旋半径:回旋半径:回旋周期:回旋周期:回旋共振频率:回旋共振频率:与与 R,v0 无关!无关!+R q+h R带电粒子作垂直于磁场的带电粒子作垂直于磁场的匀速圆周运动和平行于磁匀速圆周运动和平行于磁场的匀速直线运动。场的匀速直线运动。运动轨迹为等距螺旋线。运动轨迹为等距螺旋线。螺旋线半径:螺旋线半径:回旋周期:回旋周期:螺距:螺距:磁聚焦、磁透镜从电子枪中射出从电子枪中射出的电子束有一定的电子束有一定的散射角,会增的散射角,会增大屏幕上的像斑大屏幕上的像斑直径。但在匀强直径。但
7、在匀强磁场的作用下,磁场的作用下,经过整数倍螺距经过整数倍螺距时,电子又会聚时,电子又会聚焦到同一点。焦到同一点。匀强磁场的作用就好象会聚光线的透镜一样。匀强磁场的作用就好象会聚光线的透镜一样。3、回旋加速器:回旋加速器:交变电场频率交变电场频率 106 HzB 1 T,R 1 m加速到最大能量:加速到最大能量:质子:质子:30 MeV氦核:氦核:100 MeV回旋加速器受相对论回旋加速器受相对论效应的限制。效应的限制。习题12-6例例4-1:估算地磁场对电视机显象管中电子束的影响。估算地磁场对电视机显象管中电子束的影响。设加速电压为设加速电压为20000V,电子枪到屏幕的距离为,电子枪到屏幕
8、的距离为0.4m,地磁场大小为,地磁场大小为0.510-4T,计算电子束的偏转距离。,计算电子束的偏转距离。电子从电子枪出射时的动能:电子从电子枪出射时的动能:yd20000V电子速率:电子速率:回旋半径:回旋半径:偏转距离:偏转距离:4、霍耳效应:霍耳效应:bdu设导体(半导体)片设导体(半导体)片中载流子为正电荷。中载流子为正电荷。当当 Fm=Fe 时:时:电场力:电场力:霍耳电场:霍耳电场:霍耳电势差:霍耳电势差:设导体(半导体)内载流子密度为设导体(半导体)内载流子密度为n,则:,则:洛仑兹力:洛仑兹力:霍耳电势差:霍耳电势差:称为称为霍耳系数霍耳系数,由材料性质决定。,由材料性质决定
9、。b 越小,则越小,则UH 越大;越大;n越小,则越小,则UH 越大。由半导体材料的霍耳效应越大。由半导体材料的霍耳效应明显大于金属材料;明显大于金属材料;若载流子为负电荷,则若载流子为负电荷,则UH 极性相反,霍耳系数极性相反,霍耳系数为负。因此,可由为负。因此,可由UH 的极性判断载流子的类型。的极性判断载流子的类型。4-3 磁场对电流的作用安培力金属导体中自由电子在磁场中运动时受洛仑兹力作金属导体中自由电子在磁场中运动时受洛仑兹力作用而获得动能,自由电子与导体晶格点阵碰撞将动用而获得动能,自由电子与导体晶格点阵碰撞将动能传递给导体。能传递给导体。所以,载流导线载磁场中所受的磁场力(安培力
10、)所以,载流导线载磁场中所受的磁场力(安培力)是大量自由电子所受洛仑兹力的宏观表现。是大量自由电子所受洛仑兹力的宏观表现。与点电荷概念相似,引入与点电荷概念相似,引入“电流元电流元”的概念:的概念:定义:定义:电流元电流元I电流元的方向为电流元内电流的方向。电流元的方向为电流元内电流的方向。任一载流导线可看作由无穷多电流元组成。任一载流导线可看作由无穷多电流元组成。1、安培定律:安培定律:称为称为安培定律安培定律。上式取环路积分是因为直流电路都是闭合的,若上式取环路积分是因为直流电路都是闭合的,若只需知道回路的一部分所受的磁力,则只对该部分只需知道回路的一部分所受的磁力,则只对该部分积分即可。
11、积分即可。电流元在磁场中所受的磁场力电流元在磁场中所受的磁场力(安培力安培力)为:)为:任意载流导线(或导线回路)在磁场中所受的安任意载流导线(或导线回路)在磁场中所受的安培力为:培力为:例例例4-2:求载流直导线在均匀磁场中所受的安培力。求载流直导线在均匀磁场中所受的安培力。在载流直导线上任取电流元,在载流直导线上任取电流元,电流元所受的安培力:电流元所受的安培力:Il整个载流直导线受的安培力:整个载流直导线受的安培力:例例例4-3:一半圆形平面载流线圈垂直于均匀磁场,求一半圆形平面载流线圈垂直于均匀磁场,求该载流线圈所受的安培力。该载流线圈所受的安培力。直线段受力:直线段受力:R oxyd
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