大学物理必修课-磁力
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《大学物理磁学》ppt课件
《大学物理磁学》 ppt课件
目录
• 磁学基本概念与原理 • 静电场中的磁现象 • 恒定电流产生磁场及应用 • 电磁波与光波在磁学中的应用 • 铁磁物质及其性质研究 • 现代磁学发展前沿与挑战
01
磁学基本概念与原理
磁场与磁力线
01 磁场
由运动电荷或电流产生的特殊物理场，具有方向 和大小，可用磁感线描述。
通过分析带电粒子在静电场中的运动规律，可以 03 了解电场分布和粒子性质等信息。
静电场和恒定电流产生磁场比较
静电场和恒定电流都可以产生磁场，但它们产 生的磁场具有不同的特点。
静电场产生的磁场是瞬时的，随着静电场的消 失而消失；而恒定电流产生的磁场是持续的， 只要电流存在就会一直产生磁场。
此外，静电场和恒定电流产生的磁场在分布、 强度和方向等方面也存在差异。
02 磁力线
形象描述磁场分布的曲线，其切线方向表示磁场 方向，疏密程度表示磁场强度。
03 磁场的基本性质
对放入其中的磁体或电流产生力的作用。
磁感应强度与磁通量
磁感应强度
描述磁场强弱和方向的物理量，用B表示， 单位为特斯拉（T）。
磁通量
描述穿过某一面积的磁感线条数的物理量，用Φ表 示，单位为韦伯（Wb）。
电磁铁
利用恒定电流产生的磁场来制作电磁 铁，用于吸附铁磁性物质或作为电磁
开关等。
电磁炉
利用恒定电流产生的交变磁场来加热 铁质锅具，从而实现对食物的加热和
烹饪。
电机与发电机
电机是将电能转换为机械能的装置， 而发电机则是将机械能转换为电能的 装置。它们的工作原理都涉及到恒定 电流产生的磁场。
磁悬浮列车
利用恒定电流产生的强磁场来实现列 车的悬浮和导向，具有高速、安全、 舒适等优点。
目录
• 磁学基本概念与原理 • 静电场中的磁现象 • 恒定电流产生磁场及应用 • 电磁波与光波在磁学中的应用 • 铁磁物质及其性质研究 • 现代磁学发展前沿与挑战
01
磁学基本概念与原理
磁场与磁力线
01 磁场
由运动电荷或电流产生的特殊物理场，具有方向 和大小，可用磁感线描述。
通过分析带电粒子在静电场中的运动规律，可以 03 了解电场分布和粒子性质等信息。
静电场和恒定电流产生磁场比较
静电场和恒定电流都可以产生磁场，但它们产 生的磁场具有不同的特点。
静电场产生的磁场是瞬时的，随着静电场的消 失而消失；而恒定电流产生的磁场是持续的， 只要电流存在就会一直产生磁场。
此外，静电场和恒定电流产生的磁场在分布、 强度和方向等方面也存在差异。
02 磁力线
形象描述磁场分布的曲线，其切线方向表示磁场 方向，疏密程度表示磁场强度。
03 磁场的基本性质
对放入其中的磁体或电流产生力的作用。
磁感应强度与磁通量
磁感应强度
描述磁场强弱和方向的物理量，用B表示， 单位为特斯拉（T）。
磁通量
描述穿过某一面积的磁感线条数的物理量，用Φ表 示，单位为韦伯（Wb）。
电磁铁
利用恒定电流产生的磁场来制作电磁 铁，用于吸附铁磁性物质或作为电磁
开关等。
电磁炉
利用恒定电流产生的交变磁场来加热 铁质锅具，从而实现对食物的加热和
烹饪。
电机与发电机
电机是将电能转换为机械能的装置， 而发电机则是将机械能转换为电能的 装置。它们的工作原理都涉及到恒定 电流产生的磁场。
磁悬浮列车
利用恒定电流产生的强磁场来实现列 车的悬浮和导向，具有高速、安全、 舒适等优点。
大学物理-磁力
23
§14.4 载流导线在磁场中受的力
三 磁场对平面载流线圈的作用
1 匀强磁场平行于线圈面法线方向
B z
F1 F2 2 IBR
F1
F 0 力矩 M 0
方向相反，在同一 条直线上。
F2
I
ˆ n
R
24
§14.4 载流导线在磁场中受的力
2 匀强磁场垂直于线圈面法线方向 z B
7
§14.2 带电粒子在磁场中的运动
应用 回旋加速器
电磁铁
8
§14.2 带电粒子在磁场中的运动
开始时，劳伦斯制作的回旋加速器模型结 构简陋，真空室的直径只有10.2厘米。随后他 又制作了可以实用的回旋回速器，用黄铜和封 蜡作真空室，直径也只有11.4厘米，加上不到 1千伏电压之后，可将质子加速到80 000电子 伏特。不到1千伏的电压，达到了8万伏的加速 效果。
二 载流线圈在磁场中转动时磁力的功
B
ˆ d n
M mB sin dA Md BIS sin d
磁力矩做正 功时使 减 小
BISd (cos ) Id ( BS cos ) Id
30
§14.4 磁力的功
线圈由 1 转到 2 位置时，磁力所作的总功
dF nSdl ev B
电流强度：单位时间内通 过某一截面的电量
I
f
dl
I nSve dF Idl B 一段导线受力 F dF Idl B
v
L
18
解：直导线受力
例：求如图所示导线所受的安培力，电流 为I，匀强磁场B y df y df
霍耳电压
《大学物理磁学》PPT课件
进动 m
L e m B0
进动
m
e
L
m
进动 B0
进动 m
L e m B0
进动
m
e
L
m
进动 B0
间动等的的效转夹圆可向角 电以总是 流证是何 的明和值 磁：， 矩B不0的在的论方外方电向磁向子构场永原成远B来0与右中的手B，磁0 的螺电矩方旋与子向关磁角相系场动反。方量。这L向 种进之
3.有磁介质时的安培环路定理
有磁介质时
B
dl
0
(
I Is)
I
s
M
dl
B dl 0 ( I M d l )
或
(
B
M ) dl
I
定义 H
B
0
M
为磁场强度矢量
单位:A/m
0
磁介质存在时的安培环路定理
（3）铁磁性介质： 介质磁化后呈强磁性。
附加磁场B与外场Bo同向。 B>> Bo , r >> 1
（4）超导体(完全抗磁体）：
B=0
B=0
B
二、分子电流和分子磁矩
近代科学实践证明，分子或原子中的电子存在轨道 运动和自旋运动。这两种运动都能产生磁效应。
分子或原子中各电子对外产生磁效应的总和，等效于
力矩的功： A Md
磁力矩： M BIS sin
A BIS sin d
I dBS cos I dm Im
F1
d
B
F2
n
大学物理《电磁学》PPT课件
电场和磁场都由电荷产生，也都由电荷的受力 情况来检验。那么，这两种场之间到底有什么本质 的区别呢？
众所周知，电荷的静止与运动都是相对观察者 而言的，我们对运动与静止的描述依赖于所选择的 参照系，这样看来，电场和磁场的区别，也只有相 对意义了。
具体地说：给定一试验电荷，在不同的参照系 上，测定该试验电荷的受力情况从而辨认其周围空 间的电场和磁场，所得描述结果是不同的。
作用于
运动电荷 B
产生
三、磁感应强度(Magnetic Induction)
1. 磁感应强度 B 的定义：
对比静电场场强的定义 F q0 E
将一实验电荷射入磁场，运动电荷在磁场中 会受到磁力作用。
实验表明
① Fm v
② Fm q0v sin
2
时Fm达到最大值
Fm
q0
v
θ＝0 时Fm= 0，
①方向：
曲线上一点的切线
方向和该点的磁场方
B
向一致。②大小：ຫໍສະໝຸດ 磁感应线的疏密反映磁场的强弱。
③性质：
•磁感应线是无头无尾的闭合曲线，磁场中任
意两条磁感应线不相交。
•磁感应线与电流线铰链
通过无限小面元dS 的磁感应线数目dm与dS 的 比值称为磁感应线密度。我们规定磁场中某点的磁
感应强度的值等于该点的磁感应线密度。
i jk
F e 0 v y 0 e(v yBzi v yBxk )
Bx 0 Bz
Fz e v y Bx
Bx
Fz e vy
8.69 10-2 T
B
Bx2
B
2 y
0.1T
tan Bz 0.57
Bx
300
资料
原子核表面 中子星表面 目前最强人工磁场 太阳黑子内部 太阳表面 地球表面
大学物理---洛仑磁力
y
* 磁约束
* 范阿仑辐射带Van Allen belts
如果在一个均匀磁场中引入一个恒定电场，并使电场与磁 场垂直，那么带电粒子的运动如何？ 这时电粒子将产生“漂移运动” 情形1.在均匀B中引入一均匀E，且B E
Fe
由于电场的存在，带电粒子螺旋运动的轴发生移动。 这种现象称为“电漂移”(由于电场引起的)
S
D1 D2
N
我国于 1994年建 成的第一 台强流质 子加速器 ， 可产生数 十种中短 寿命放射 性同位素 .
2 . 质谱仪
速度选择器
照相底片
................. ................ ............. .........
质谱仪的示意图
... p1 . . . p2 + ... ... s
R
周期与带电粒子速度无关。
电子的反粒子
电子偶
1930年狄 拉克预言 自然界存 在正电子
正电子
电子
B
铝板
显示正电 子存在的 云室照片 及其摹描 图
回旋加速器Cyclotron、
密封在真空中的两个金属盒（D1和D2）放 在电磁铁两极间的强大磁场中，如图所示 两盒之间有一窄缝，中心附近放有离子源。 两盒间接有交流电源，它在缝隙里的交 变电场用以加速带电粒子。
A
B 实验表明： VH
VH RH
IB h
IB h
+ + + + + B Hall effect何因： A fB B - v + + + + fE B
I
A fB + + + + B fE
04-6-第6章-磁力-电磁学-大学物理-海南大学
m
S
B
Байду номын сангаас
I
五、载流导线在磁场中所受的力 磁偶极矩与电偶极矩的比较 磁偶极矩 M mB Wm m B 电偶极矩 M p E We p E
力 矩 势 能
例 P.212
bc 段，作用力的大小
相等、方向相反，并 且在同一直线上，所 以它们的合力及合力 矩都为零。
F1 F1
a
l1
en
d
l2
B
I b
c
F1
五、载流导线在磁场中所受的力 而 导 线 ab 段 和
F2
cd 段所受磁场作用
力的大小为：
F2 F2 BIl 2
l1
一、磁力与电荷的运动
2. 历史
战国时期（公元前300年）有“磁石”等记载 东汉时期王充：“司南”指南的记载描述； 11世纪：指南针； 1819 年 ： 奥 斯 忒 发现电流对小磁针 的作用；
一、磁力与电荷的运动 1820 年：安培发现磁铁对载流导线或载流线 圈的作用； 磁 铁 对 阴 极 射 线 的 作 用；平行的载流导线之 间的相互作用； 1822年：安培分子电流观点：认为一切磁现 象的根源是运动的电荷（即电流）。
d a
en
I c
B
b
总之，磁场对载流线圈作用的磁力矩，总是使 磁矩 m 转到磁感强度的方向上。
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
4. 磁矩在磁场中的势能
磁矩 m 与磁场 B 的方向
夹角 增大时，外力克 服磁力矩做功
A Md
1 2
S
m B
大学物理-磁力Magnetic Force
13
1998年诺贝尔物理学奖获得者之一——崔琦
美籍华人 Daniel C. Tsui 1939 生于河南 分数量子霍尔效应 崔琦和施特默1982 1998’Nobel Prize
14
§5.5 安培力 Ampere Force ——磁场对载流导线的作用力
dF Idl B
1.均匀磁场中
Idl B
带电粒子在均匀磁场中的运动：
① v // B ②v B ③一般情形
18
⒊霍尔效应 ——在磁场中，载流导体上会出现横向(与 电流方向垂直)电势差
产生机制：
B
b +Q
Fm
q v UH
Fe
Q
I
19
⒋安培力：dF Idl B
⑴均匀磁场中： ①载流导线
Idl
B
L
b lab
I
B
a
F Ilab B
——匀速圆周 运动半径
——与速度大 小无关
——螺旋运动
5
2.带电粒子在非均匀磁场中的运动
q
F
F 有指向磁场较弱方向 B 的分量, q 将被反射。
——磁镜效应
v B F 三者空间关系要想象
应用：磁约束 Ｉ
(人工核聚变)
6
~
B
7
天然磁约束——Van Allen辐射带：
p 地球
第一辐射带：质子 (h～几千km)
与 I 方向成右手螺旋关系
I
n0
S 面积 16
N匝载流线圈的磁矩： pm NISn 0
2.非均匀磁场中的安培力：F Idl B L
Note: 在非均匀磁场中，载流线圈所受磁力 一般不为零
《大学物理磁学》课件
核磁共振谱（NMR）
利用核自旋磁矩进行研究物质结构和化学键的谱学技术。NMR可应用于有机化学、药物化学、石油化 工等领域，用于分析分子结构和化学反应机理。
磁性材料在电子器件中的应用
磁性材料
具有铁磁、亚铁磁等性质的金属和非金属材 料，如铁、钴、镍及其合金。磁性材料具有 高磁导率、低矫顽力等特点，广泛应用于电 子器件中。
洛伦兹力，用于描述磁场对运动电荷的作用。
磁场对电流的作用
安培力，用于描述磁场对电流的作用。
磁场对磁体的作用
磁体之间的相互作用力，与磁体的磁感应强度和距离 有关。
02
磁场与电流
奥斯特实验与安培环路定律
奥斯特实验
揭示了电流的磁效应，即电流能在其 周围产生磁场。
安培环路定律
描述了电流与磁场之间的关系，即磁 场线总是围绕电流闭合。
铁磁性
铁、钴、镍等金属具有显著的铁磁性，其内部原子、分子的自旋磁矩在一定条件 下自发排列形成磁畴。
磁畴结构
铁磁体内部存在许多自发磁化的小区域，称为磁畴。不同磁畴的磁化方向不同， 导致宏观上铁磁体的磁化强度呈现出复杂的空间分布。
磁记录与磁头技术
磁记录
利用磁介质记录信息的技术，通过改变 磁介质表面的磁场方向实现信息的存储 。
详细描述
磁场对光的干涉和衍射具有重要影响。在磁场作用下，光的干涉和衍射现象会发生变化，表现为干涉条纹的移动 和衍射角的改变。这些现象在物理学中具有重要的应用价值，如光学仪器设计、光谱分析和量子力学等领域。
05
磁学的应用
磁力机械与磁力悬浮
磁力机械
利用磁场力实现机械运动的装置，如磁力泵、磁力传动器等。磁力机械具有无接触、无摩擦、低能耗等优点，广 泛应用于化工、制药、石油等领域。
利用核自旋磁矩进行研究物质结构和化学键的谱学技术。NMR可应用于有机化学、药物化学、石油化 工等领域，用于分析分子结构和化学反应机理。
磁性材料在电子器件中的应用
磁性材料
具有铁磁、亚铁磁等性质的金属和非金属材 料，如铁、钴、镍及其合金。磁性材料具有 高磁导率、低矫顽力等特点，广泛应用于电 子器件中。
洛伦兹力，用于描述磁场对运动电荷的作用。
磁场对电流的作用
安培力，用于描述磁场对电流的作用。
磁场对磁体的作用
磁体之间的相互作用力，与磁体的磁感应强度和距离 有关。
02
磁场与电流
奥斯特实验与安培环路定律
奥斯特实验
揭示了电流的磁效应，即电流能在其 周围产生磁场。
安培环路定律
描述了电流与磁场之间的关系，即磁 场线总是围绕电流闭合。
铁磁性
铁、钴、镍等金属具有显著的铁磁性，其内部原子、分子的自旋磁矩在一定条件 下自发排列形成磁畴。
磁畴结构
铁磁体内部存在许多自发磁化的小区域，称为磁畴。不同磁畴的磁化方向不同， 导致宏观上铁磁体的磁化强度呈现出复杂的空间分布。
磁记录与磁头技术
磁记录
利用磁介质记录信息的技术，通过改变 磁介质表面的磁场方向实现信息的存储 。
详细描述
磁场对光的干涉和衍射具有重要影响。在磁场作用下，光的干涉和衍射现象会发生变化，表现为干涉条纹的移动 和衍射角的改变。这些现象在物理学中具有重要的应用价值，如光学仪器设计、光谱分析和量子力学等领域。
05
磁学的应用
磁力机械与磁力悬浮
磁力机械
利用磁场力实现机械运动的装置，如磁力泵、磁力传动器等。磁力机械具有无接触、无摩擦、低能耗等优点，广 泛应用于化工、制药、石油等领域。
大学物理磁力
F -e
P
B
I
~
U
主要原理:带电粒子在均 匀磁场的运动周期: 2m T qB 与粒子的速度无关.
I
B
h
h Tv//
螺距相同
应用:显象管内的电子磁聚焦 ,实验室测量粒子比荷q/m.
20
二 回旋加速器
回旋加速器结构示意如图: S 分析被加速粒子的电荷正负. D1 粒子运动的轨道半径: D2 mv v R q 接震荡器 qB N B 在半圆形盒子中的运动时间 m R D1 D2 t q v B m q 粒子引出时的速度: v BR外 粒子束 m 2 2 2 q B R 1 外 引出时的能量: E mv 2 震荡器 2 2m
qE qv B ma
2 2
32
2
小结
1.洛伦兹力
F qv B
v
F
带电粒子在磁场中的运动
圆周轨道半径:
运动一周的时间:
2 R 2m T qB v
B
v2 qvB m R
mv R qB
33
带电粒子在电场和磁场中运动受力：
F qE qv B
若无其它外力则有：
面方向与电流的流向符合右手螺旋关系 其中线圈的磁矩：
适用于在均匀磁场中任何形状的线圈.
一般式： M P B m
Pm ISn
l1
F
30
试分析下述情况： F n
F
M Pm B
F F
I
F , M=Mmax
+
q
狭缝1
-
狭缝2
-
23
P
B
I
~
U
主要原理:带电粒子在均 匀磁场的运动周期: 2m T qB 与粒子的速度无关.
I
B
h
h Tv//
螺距相同
应用:显象管内的电子磁聚焦 ,实验室测量粒子比荷q/m.
20
二 回旋加速器
回旋加速器结构示意如图: S 分析被加速粒子的电荷正负. D1 粒子运动的轨道半径: D2 mv v R q 接震荡器 qB N B 在半圆形盒子中的运动时间 m R D1 D2 t q v B m q 粒子引出时的速度: v BR外 粒子束 m 2 2 2 q B R 1 外 引出时的能量: E mv 2 震荡器 2 2m
qE qv B ma
2 2
32
2
小结
1.洛伦兹力
F qv B
v
F
带电粒子在磁场中的运动
圆周轨道半径:
运动一周的时间:
2 R 2m T qB v
B
v2 qvB m R
mv R qB
33
带电粒子在电场和磁场中运动受力：
F qE qv B
若无其它外力则有：
面方向与电流的流向符合右手螺旋关系 其中线圈的磁矩：
适用于在均匀磁场中任何形状的线圈.
一般式： M P B m
Pm ISn
l1
F
30
试分析下述情况： F n
F
M Pm B
F F
I
F , M=Mmax
+
q
狭缝1
-
狭缝2
-
23
大学物理第13章磁力
=0
+
v
B
所以：F = 0 结论： 带电粒子作匀速直线运动。
2、运动方向与磁场方向垂直
F qvB
运动方程：
v qvB m R
运动半径：
2
v
R
+ F
B
答案：空穴、电子
13.3 载流导线在磁场中受的磁力
一、安培力
实验发现，外磁场对载流导线有力的作用，
这个力称为安培力。
载流导线在磁场中所受到的磁 力（安培力）的本质是：在洛伦 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 不断地碰撞，把动量传给了导体 ，从而使整个载流导体在磁场中 受到磁力的作用。
到由于粒子间的碰撞而被逐出为止。
被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电 子层，形成范· 阿仑(Van Allen）辐射带。
范· 阿仑辐射带有两层 内层 地面上空 800 km - 4 000 km 外层 在 60 000 km 处
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 高空大气层内。 高速带电粒子与 大气分子相互碰 撞产生的电磁辐
mv R qB
周期：
2 R 2 m T qB v
1 qB T 2 m
与速度 v 无关
频率：
结论： 带电粒子作匀速圆周运动，其周期 和频率与速度无关。
1930年狄拉 克预言自然 界存在正电 子 1932年安德 森得以验证
正电子
电子
B
铅板
显示正电子 存在的云室 照片及其摹 描图
+
v
B
所以：F = 0 结论： 带电粒子作匀速直线运动。
2、运动方向与磁场方向垂直
F qvB
运动方程：
v qvB m R
运动半径：
2
v
R
+ F
B
答案：空穴、电子
13.3 载流导线在磁场中受的磁力
一、安培力
实验发现，外磁场对载流导线有力的作用，
这个力称为安培力。
载流导线在磁场中所受到的磁 力（安培力）的本质是：在洛伦 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 不断地碰撞，把动量传给了导体 ，从而使整个载流导体在磁场中 受到磁力的作用。
到由于粒子间的碰撞而被逐出为止。
被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电 子层，形成范· 阿仑(Van Allen）辐射带。
范· 阿仑辐射带有两层 内层 地面上空 800 km - 4 000 km 外层 在 60 000 km 处
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 高空大气层内。 高速带电粒子与 大气分子相互碰 撞产生的电磁辐
mv R qB
周期：
2 R 2 m T qB v
1 qB T 2 m
与速度 v 无关
频率：
结论： 带电粒子作匀速圆周运动，其周期 和频率与速度无关。
1930年狄拉 克预言自然 界存在正电 子 1932年安德 森得以验证
正电子
电子
B
铅板
显示正电子 存在的云室 照片及其摹 描图
《大学物理》第七章 磁力S
4
磁（场）力
一、磁感应强度的定义 洛伦兹力
Fm
Fm qv B
洛伦兹力的大小
F qvB sin
q
B v
M
'
Fm 1、磁感应强度的大小 B qv sin 2、磁感应强度的方向 Fm 0
——零力线的方向 3、磁感应强度的单位
M
SI：特斯拉（T）， Gauss: 1T＝104G
2 m v/ / mv R h qB qB
h 常量
B↑
B
h↓
F
F
磁镜 磁瓶
——磁约束现象 应用： 可控轻核聚变
17
动画
地磁场： 中间弱、两极强
18
地磁场：中间弱、两极强，是天然的磁捕获器。
Charged Particle Approaching Earth
范.阿仑辐射带
S S S底
B dS
S
BdS cos
S
BS 底 ( BS底 ) 0
12
§ 7 、3
带电粒子在电磁场中的运动
—匀变速运动
B
F
一、匀强电场中的运动
二、匀强磁场中的运动
mv R qvB = m v2/R 得： qB
2 R 2 m 周期 T v qB 1 qB 频率 f T 2 m
UH B kI
25
§7.5 载流导体在磁场中受的力 一、安培力的公式 设导线所通电流强度为：I B 考虑一小段长为dl 的载流导线在磁场中的受力。 S 为方便，定义电流元： Idl （与电流同向） q 设：电流元中每个载流子 q的平均定向 v 运动速度为 v 则每个载流子所受磁力： f qv B I d l 电流元中的载流子数量： dN nSdl dF fdN 则电流元 Idl 所受的总磁场 力：
磁（场）力
一、磁感应强度的定义 洛伦兹力
Fm
Fm qv B
洛伦兹力的大小
F qvB sin
q
B v
M
'
Fm 1、磁感应强度的大小 B qv sin 2、磁感应强度的方向 Fm 0
——零力线的方向 3、磁感应强度的单位
M
SI：特斯拉（T）， Gauss: 1T＝104G
2 m v/ / mv R h qB qB
h 常量
B↑
B
h↓
F
F
磁镜 磁瓶
——磁约束现象 应用： 可控轻核聚变
17
动画
地磁场： 中间弱、两极强
18
地磁场：中间弱、两极强，是天然的磁捕获器。
Charged Particle Approaching Earth
范.阿仑辐射带
S S S底
B dS
S
BdS cos
S
BS 底 ( BS底 ) 0
12
§ 7 、3
带电粒子在电磁场中的运动
—匀变速运动
B
F
一、匀强电场中的运动
二、匀强磁场中的运动
mv R qvB = m v2/R 得： qB
2 R 2 m 周期 T v qB 1 qB 频率 f T 2 m
UH B kI
25
§7.5 载流导体在磁场中受的力 一、安培力的公式 设导线所通电流强度为：I B 考虑一小段长为dl 的载流导线在磁场中的受力。 S 为方便，定义电流元： Idl （与电流同向） q 设：电流元中每个载流子 q的平均定向 v 运动速度为 v 则每个载流子所受磁力： f qv B I d l 电流元中的载流子数量： dN nSdl dF fdN 则电流元 Idl 所受的总磁场 力：
大学物理 第七章 磁力
14
2 安培定律数学表达式
Idl θ
B
大小： 大小： dF
= IdlB sinθ
× B相同
dF = Idl × B
方向：dF与Idl 方向：
安培力的大小等于该电流元的大小乘以该电流 元所在处的磁感应强度沿垂直于该电流元的分量 元所在处的磁感应强度沿垂直于该电流元的分量 垂直于 大小。 大小。
dF = IdlB⊥
dF ⊥ Idl
dF ⊥ B
16
3 一段载流导线在磁场中所受的安培力
F =
∫
L
Idl × B
安培力的实质： 安培力的实质：磁场通过洛仑兹力而施于导体的 作用力。 作用力。 洛仑兹力 →建立横向电场 →使导体受电场力作用 建立横向电场 使导体受电场力作用 建立 所以 安培力是洛仑兹力的宏观表现； 安培力是洛仑兹力的宏观表现； 洛仑兹力是安培力的微观来源。 洛仑兹力是安培力的微观来源。
v
⊗B O
9
结果：
eBl vmax = ( 2 + 1) m
O
45
o
⊗B
Fm
圆心
l
v
10
三、带电粒子在电磁场中的运动
F = Fe + Fm = qE + qv × B
四、霍耳效应(Hall Effect) 霍耳效应
霍耳电势差
A
→
i
→
B
IB IB UH = = RH ⋅ nqh h
霍耳系数
h d A'
2
二、磁现象的本质
1. 安培分子电流假说 组成磁体的最小单元（分子） 组成磁体的最小单元（分子）为环形电 这些分子电流定向排列起来， 流，这些分子电流定向排列起来，在宏观上 就使磁体具有南北极，即具有磁性。 就使磁体具有南北极，即具有磁性。 2.磁现象本质 磁现象本质 一切磁相互作用都与电荷的运动有关， 一切磁相互作用都与电荷的运动有关， 是运动电荷间相互作用的结果。 是运动电荷间相互作用的结果。 3. 磁力 运动电荷间的相互作用力。 运动电荷间的相互作用力。
大学物理第13章磁力
我国于1994 年建成的第 一台强流质 子加速器 ， 可产生数十 种中短寿命 放射性同位 素.
§13.2 Hall 效应
霍耳效应：磁场中的载流半导体出现横向电压的现
象
§13.2 Hall 效应
B
IB 霍耳电压 U H RH d F
m
+ + + + b vd +q - - - - qEH qvd B
B
dl
I nevd S
dF IdlB sin IdlB sin 安培力 dF Idl B
§13.3 载流导线在磁场中受的磁力
有限长载流导线所受的安培力
dF Idl B F l dF l Idl B
Id l
F1
M
P
O
I
N
F4
F2
B
en
O,P
线圈有N匝时 M NISen B
F2
M,N F1
B
en
e （1） n 与 B
讨 论
同向 （2）方向相反 （3）方向垂直 不稳定平衡
×
稳定平衡
× ×
力矩最大
×
×
×
I
×
×
. .
.
×
× × ×
×
× × ×
磁聚焦 在均匀磁场中点 A 发射一束 与 初速度相差不大的带电粒子，它们的 v0 B 之间的夹角 不同，但都较小，这些粒 子沿半径不同的螺旋线运动，因螺距近似 相等，相交于屏上同一点，此现象称为磁 聚焦 . 应用 电子光学，电 子显微镜等 .
三 带电粒子在电场和磁场中运动举例
大学物理第13章
' I
4. 如图，一根载流无限长直导线与一个载流 正三角形线圈在同一个平面内。若长直导线固定 A 不动，则载流三角形线圈将 [ ] A.向着长直导线平移 C.远离长直导线平移 B.转动 D.不动
I1
I2
5.一圆形电流 I1 与一根长直电流 I2 共面，并 与其一直径相重合，如图，两者间绝缘。设长直 电流不动，则圆形电流将[ ] A)绕 I2 旋转 C)向右运动 B)向左运动 D)不动
特例：均匀磁场中的任意 闭合电流所受合力为零。
注：本题是非均匀磁场。 [例3] 一根无限长直导线载有电流 I1 ，它与长为 L、载有电流 I2 的直 导线相互垂直，距离为 d，如图所示。求导线 L 所受磁力。 解：考虑 L 上的电流元 I 2 dr ，它距无限长直 导线为 r 。无限长直导线在该电流元处产生的磁 感强的方向垂直纸面向里，大小为
0 4 107 N/A 2
这是依照 SI 中确定电流强度单位“安培”的方法而得出的。 1948年第九届国际计量大会确定：“安培是一恒定电流，若 保持在处于真空中相距 1 米的两无限长而圆截面可以忽略的平行 直导线内，则这两导线之间产生的力在每米长度上等于 2 107 牛顿。”
dF 0 I 2 dl 2d
D
B
解： F IL B ILB sin IB 2a sin 135 IBa （方向垂直纸面向里）
2.如图，一根载流 I 的导线，被折成长度分别 为 a、b ，夹角为120度的两段，并置于均匀磁场 B 中，若导线的长度为 b 的一段与 B 平行，则 a、b 两段所受的合磁力的大小为[ 3IBa/ 2 ]
5.一圆形电流 I1 与一根长直电流 I2 共面，并 与其一直径相重合，如图，两者间绝缘。设长直 电流不动，则圆形电流将[ C ]
大学物理课件++磁力
大学物理课件 磁力
汇报人：
202X-01-02
磁力概述磁场与电流磁力计算磁力在科技中的应用磁力的实验研究
磁力概述
01
about the firstborn son's firstborn son's the firstborn son's the first 100%的 100%_other people whooping to begin with, however, most of the people whoopposite field the other way around. the first 100% of the firstborn son's-like the firstborn son's the firstborn son's into which there are also some people whoopposite field of the firstborn son's-like the firstborn son’s like the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s. firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s. like the first to the firstborn son’s like the firstborn son’s like the first 100
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202X-01-02
磁力概述磁场与电流磁力计算磁力在科技中的应用磁力的实验研究
磁力概述
01
about the firstborn son's firstborn son's the firstborn son's the first 100%的 100%_other people whooping to begin with, however, most of the people whoopposite field the other way around. the first 100% of the firstborn son's-like the firstborn son's the firstborn son's into which there are also some people whoopposite field of the firstborn son's-like the firstborn son’s like the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s. firstborn son’s画面 of the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s like the firstborn son’s. like the first to the firstborn son’s like the firstborn son’s like the first 100
大学物理课件——磁力
(b) I ( dl ) B
B
(a)
a
F I lab B
注意使用的条件！
均匀磁场，载流直导线，电流与磁场垂直：
F I l导线 B
F IlB
例1:在均匀磁场中放置一半径为R的半圆形导线,电流强度为I， 导线两端连线与磁感强度方向夹角 =30°。
求：此段圆弧电流受的磁力。
解： 均匀磁场 F I lab B
产生原因：载流导线中电子定向移动时受洛仑兹力
一、安培定律
取电流元 Idl ,受 力: dF Nqv B nSdlqv B
dF Idl B
I
Idl
B dF
I nqvS
安培定律 整个电流受力：
F Idl B
l
均匀磁场:
(b)
b
F Idl B lab I
(a )
第二十一章 磁力
主要内容 §21-1 运动带电粒子在磁场中的受力 §21-2 霍耳效应 §21-3 载流导线在磁场中的受力 §21-4 磁场对载流线圈的作用 §21-5 平行载流导线间相互作用力
§21-1 运动带电粒子在磁场中受的力
一.洛仑兹力
表达式： 特 点：
FL qv B
洛伦磁力永远不会对运动电荷作功。
q m
vo
周期：
T
2πR v0
2πm qB
与速率无关
3、 v 0与 B成 时: v0
θ
B
v v0 sin θ
v vo cos
R
mv qB
m v0 sin θ qB
粒子作螺旋线运动
T
2πm qB
螺距（在一个周期内沿磁场方向行进的距离）
h
v
T
2m
B
(a)
a
F I lab B
注意使用的条件！
均匀磁场，载流直导线，电流与磁场垂直：
F I l导线 B
F IlB
例1:在均匀磁场中放置一半径为R的半圆形导线,电流强度为I， 导线两端连线与磁感强度方向夹角 =30°。
求：此段圆弧电流受的磁力。
解： 均匀磁场 F I lab B
产生原因：载流导线中电子定向移动时受洛仑兹力
一、安培定律
取电流元 Idl ,受 力: dF Nqv B nSdlqv B
dF Idl B
I
Idl
B dF
I nqvS
安培定律 整个电流受力：
F Idl B
l
均匀磁场:
(b)
b
F Idl B lab I
(a )
第二十一章 磁力
主要内容 §21-1 运动带电粒子在磁场中的受力 §21-2 霍耳效应 §21-3 载流导线在磁场中的受力 §21-4 磁场对载流线圈的作用 §21-5 平行载流导线间相互作用力
§21-1 运动带电粒子在磁场中受的力
一.洛仑兹力
表达式： 特 点：
FL qv B
洛伦磁力永远不会对运动电荷作功。
q m
vo
周期：
T
2πR v0
2πm qB
与速率无关
3、 v 0与 B成 时: v0
θ
B
v v0 sin θ
v vo cos
R
mv qB
m v0 sin θ qB
粒子作螺旋线运动
T
2πm qB
螺距（在一个周期内沿磁场方向行进的距离）
h
v
T
2m
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产生机制：
B
b
+Q
Fm q v UH
I
Fe
-Q
⒋安培力：dF Idl B
⑴均匀磁场中： ①载流导线
Idl
B
L
b
lab
I
B
a
F Ilab B
②载流线圈
F合 0
(
M
pm
pNmISnB0
——
磁矩)
I
n
0
S
面积
⑵非均匀磁场中： F Idl B L
Chap.5 EXERCISES
B
a
-
b
况将会发生？
(A)电子受到洛仑兹力而减速. (B)铜片上产生涡流. (C)铜片上a、b两点间产生电势差,且VaVb. (D)铜片上a、b两点间产生电势差,且VaVb.
⒊
半径为R、电荷面密度为
r dr
B
的均匀带电圆盘，以角
速度 在均匀磁场中旋
转．轴线与 B垂直．在
距盘心为r处，取宽为
方向垂直)电势差.
——霍尔效应 B
b
+Q
Fm q v UH
Fe
-Q
UH
IB nqb
I 单位体积中的
载流子数目
应用：①半导体中载流子的正负、浓度 ②磁感应强度测量 ③作控制元件
量子霍尔效应： In 1980，Klaus von Klitzing发现：
UH
(I恒定)
RH
UH I
B
0
B 霍尔电阻
⒈ 电子速率v=1104m/s, 当它沿X轴正向通过A点
时, 受到沿+Y方向的力, F=8.0110-17N ; 当它沿
+Y方向以同一速率通过A点 时，所受力的Z分 量FZ=1.3910-16N. 求A点 B的大小和方向.
解：
⒉ 一铜片置于均匀磁 场中，其中电子流 的方向如图所示， 试问下述哪一种情
RH
量子霍尔效应曲线
3 4
2 经典霍 尔电阻
B
量子理论结果：RH
Rk n
(n 1,2,3,)
(Rk 25812.80 )
以后崔琦等又发现： 在更强磁场下
n
1 2
,
1 3
,
1 4
,
1 5
,
——分数量子霍尔效应
§5.5 安培力(Ampere Force)
——磁场 对载流导线的作用力
dF Idl B
磁场1 运动电荷1
磁场2 磁场的描述：B, wm
运动电荷2
磁感应强度 实验： F
q B v
磁能密度
Fv,
B
F q,v
总结出：
F
qv Βιβλιοθήκη B磁感应强度( B=Fmax/qv )
SI单位：T (Tesla) or Wb/m2
(Weber)
1T=104G (Gauss)
实验室：Bmax=37 T 地表： B=105T 人体： B=1013～1010T
§5.3 洛仑兹力(Lorentz Force)
——磁场对运动电荷的作用力
F qv B
特点：变Fvv的方F向 不能改变
v
的大小,只能改
广义洛仑兹力：
F
qE
qv
B
1.带⑴电v粒//子B在均匀磁场中的运动
qv
B ——匀速直线运动
⑵ vB
R
v
q ——匀速率圆周运动
B
qvB m v2 R
e-
第二辐射带：电子 (h～几万km)
绚丽多彩的极光
在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直， 外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气 层内，它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形 成了极光。
§5.4 霍尔效应(Hall Effect)
In 1879，E.H.Hall发现：
在磁场中，载流导体上会出现横向(与电流
第五章 磁力 (Magnetic Force)
内容
基本磁现象 磁场与磁感应强度 洛仑兹力 霍尔效应 安培力
§5.1 基本磁现象(Elementary Magnetic Phenomena)
⒈磁铁 磁铁
NS
⒉电流 磁铁
I
⒊电流 电流 I
I
§5.2磁场与磁感应强度(Magnetic Field)
磁现象的本质：
Note: 在非均匀磁场中，载流线圈所受磁力 一般不为零．
Chap.5 SUMMARY
⒈ B 的定义 F
F
qv
B
q
B v
( B=Fmax/qv )
⒉洛仑兹力：
F
qv
B
带电粒子在均匀磁场中的运动：
①
v
//
B
②
vB
③一般情形
⒊霍尔效应
——在磁场中，载流导体上会出现横向(与
电流方向垂直)电势差.
Idl
B
1.均匀磁场中
⑴载流导线
F Ilab B
L
b
lab
I
B
a
⑵载流线圈
F2
F1
IB
合力：F 0 磁力矩：M
pm
B
载流线圈的磁矩
定义：
I
n
0(线圈法向单位矢量,与I方向
S
成右手螺旋关系)
面积
磁矩：pm
ISn
0
N匝载流线圈的磁矩：
pm
NIS
n
0
2.非均匀磁场中的安培力： F Idl B L
dr的圆环，则圆环内相当于有电流，
该电流环所受磁力矩的大小为，圆盘
所受合力矩的大小为．
R mv qB
周期 T 2R 2m v qB
——与速度 大小无关
⑶一般情形
v
q
v v//
B
——螺旋运动
2.带电粒子在非均匀磁场中的运动
q F
F 有指向磁场较弱方向
B 的分量,q将被反射．
——磁镜效应
应用：磁约束 Ｉ
(人工核聚变)
天然磁约束——Van Allen辐射带：
地球 p
第一辐射带：质子 (h～几千km)