大學(xué)物理：磁場對運動電荷的作用

顯微鏡分辨率10410-110-1110-6無線電波近紅外紫外X射線

射線實物粒子波波長(m)10-16可見光電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡§11-4磁場對運動電荷的作用光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡光學(xué)透鏡聚焦成像方法？對比§11-4磁場對運動電荷的作用一.洛侖茲力Lorenzforce磁場對運動電荷的磁力2.大?。?.方向：vvFmFmB+qq1.定義：右手螺旋判斷4.矢量式：與、方向垂直§11-4磁場對運動電荷的作用二.運動電荷在磁場中的運動①螺旋半徑②旋轉(zhuǎn)周期③螺距【問題】兩相同運動電荷,v⊥不同,v∥相同,運動有何特征？1.在勻強磁場中運動§11-4磁場對運動電荷的作用【應(yīng)用】磁聚焦magneticfocusing電子槍接收屏圓孔電子顯微鏡樣品投影磁透鏡聚束磁透鏡物鏡磁透鏡電子槍§11-4磁場對運動電荷的作用2.在非勻強磁場中運動【問題】運動電荷會一直旋轉(zhuǎn)前進下去嗎？§11-4磁場對運動電荷的作用【思考】設(shè)計一個能約束運動電荷的磁場磁約束magneticconfinement§11-4磁場對運動電荷的作用【應(yīng)用】先進超導(dǎo)托卡瑪克實驗裝置EAST我國新一代EASTEAST內(nèi)部§11-4磁場對運動電荷的作用【思考】極光為什么只出現(xiàn)在地球南北極？§11-4磁場對運動電荷的作用地球磁場

霍耳(E.H.Hall，1855－1929年)首先觀察到，把一載流導(dǎo)體放在磁場中時，B

⊥

I

,則在與二者相垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱為

霍耳效應(yīng)?；魻栃?yīng)（HallEffect）霍耳電勢差V1－V2=霍耳效應(yīng)的出現(xiàn)是由于導(dǎo)體中的載流子在磁場中受洛侖茲力的作用而發(fā)生橫向漂移的結(jié)果霍耳系數(shù)霍爾效應(yīng)（HallEffect）自由電子向左運動，所受洛侖茲力Fm=－

qv×B方向向上大小Fm

=qvBqEH霍爾效應(yīng)（HallEffect）導(dǎo)體內(nèi)形成向上的附加電場

EH

(霍耳電場

),電子受該電場作用力FH=－

qEH方向向下大小

FH

=qEHqEH霍爾效應(yīng)（HallEffect）Fm=FHqvB=qEHEH

=vB導(dǎo)體中的電流I=nqvdb霍耳系數(shù)霍爾效應(yīng)（HallEffect）【應(yīng)用】車速的測量

霍爾電阻

發(fā)現(xiàn)條件：強磁場(約1-10T)，低溫(約幾K)

超強磁場(>10T)，極低溫(約0.1K)量子霍爾效應(yīng)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)一.安培力Ampereforce②導(dǎo)線①電流元——電流在磁場中受到的磁力§11-5磁場對電流的作用例求載流導(dǎo)線ab在無限長載流直導(dǎo)線磁場中受力已知：I1、I2、d、L解：在ab上取電流元方向向上ק11-5磁場對電流的作用例在均勻磁場中放置一半徑為R的半圓形導(dǎo)線，電流強度為I，導(dǎo)線兩端連線與磁感強度方向夾角

=30°，求此段圓弧電流受的磁力。=30°解：在電流上任取電流元場均勻方向例如圖長直導(dǎo)線過圓電流的中心且垂直圓電流平面電流強度均為I求：相互作用力解：在電流上任取電流元(在哪個電流上取？)§11-5磁場對電流的作用推進制動【應(yīng)用】磁懸浮列車bcdaoO’二.勻強磁場對載流線圈的作用

b(c)

a(d)×1.對中心轉(zhuǎn)軸的力矩l2l1②Ｎ匝線圈磁矩①單匝線圈§11-5磁場對電流的作用2.幾種特殊情況的討論：×××磁力矩最大穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡①②③【思考】線圈在非勻強磁場中如何運動？§11-5磁場對電流的作用載流導(dǎo)體在磁場中平動時磁力所作的功導(dǎo)線

ab受的磁場力的大小為=IBl

方向向右BabdxFIl

導(dǎo)線

ab

右移

dx

，力作的功為dW=FdxdΦB=Bldx=IBldx

dW=IdΦB導(dǎo)線

ab右移

dx，穿過閉合面的

磁通量改變BabdxFIl載流線圈轉(zhuǎn)過角度dθ

，磁力矩作的功dW=－

Mdθ負號表示θ

減小

=－

BISsinθ

dθ=BISd(cosθ)=Id(BScosθ)

=IdΦB

此式跟磁力作功的表達式相同，就都說磁力作功載流線圈在磁場內(nèi)轉(zhuǎn)動時磁力矩所作的功如果電流

I不變當(dāng)載流導(dǎo)線和載流線圈在磁場中從一位置變到另一位置，磁力作功例一半徑為R的半圓形閉合載流線圈中電流為I，放在磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中，其方向與線圈平面平行，如圖所示，求：（1）以直徑為轉(zhuǎn)軸，線圈所受磁力矩的大小和方向；（2）在力矩作用下，線圈轉(zhuǎn)過90°，力矩做了多少功？IBmM解：（1）線圈磁矩大小為方向垂直于紙面向里。線圈所受磁力矩為磁力矩大小為方向向下。（2）線圈轉(zhuǎn)過90°時，磁通量增量為因此，磁力矩做功一.磁介質(zhì)(magneticmaterial)及其分類1.磁介質(zhì)：在磁場作用下發(fā)生變化并能影響磁場的物質(zhì)電介質(zhì)磁介質(zhì)【類比分析】相對介電常數(shù)相對磁導(dǎo)率§11-6磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理無外磁場順磁質(zhì)的磁化有外磁場2.磁介質(zhì)的分類①順磁質(zhì)(paramagneticmaterial)如鋅、銅、水銀、鉛等②抗磁質(zhì)(diamagneticmaterial)如錳、鉻、鉑、氧等

同向時

反向時抗磁質(zhì)的磁化③鐵磁質(zhì)(ferromagneticmaterial)具有顯著的增強原磁場的性質(zhì)§11-6磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁化強度矢量二.磁化的描繪§11-6磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理M能從宏觀上定量描述磁介質(zhì)各處的磁化程度和磁化方向。若在磁介質(zhì)內(nèi)M為常量，表示各處磁化狀況相同，稱為均勻磁化，否則稱為非均勻磁化。單位（安/米）

意義

磁介質(zhì)中單位體積內(nèi)分子的合磁矩.磁化強度矢量與磁化電流的關(guān)系磁化強度矢量M沿任一回路L的積分，等于通過以L為周界的曲面S的磁化電流：證明：根據(jù)分子電流模型，把磁介質(zhì)分子看做電流環(huán)。為了便于說明問題，磁介質(zhì)磁化后，用平均分子磁矩代替每一個分子的真實磁矩，即認(rèn)為每一個分子電流環(huán)都有同樣的電流I，同樣的面積矢量a，即每個分子的磁矩都為于是，磁介質(zhì)的磁化強度為其中n為單位體積內(nèi)的分子數(shù)。LSdlMθ計算dl段上穿過S的分子電流于是，穿過S面的總磁化電流為對均勻磁化，磁介質(zhì)內(nèi)部無磁化電流，磁化電流都分布在磁介質(zhì)的表面上。磁化強度矢量M與磁化面電流線密度i’之間的關(guān)系:三.磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理§11-6磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理定義輔助的物理量，磁場強度三.磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理稱為H的環(huán)路定理。它表示，有磁介質(zhì)存在時，磁場強度H沿任意閉合回路的積分，等于穿過穿過以該閉合回路為周界的任意曲面的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和，與磁化電流無關(guān)。H的國際單位：A/m要由H計算B，還需要補充B和H的關(guān)系式。對各向同性線性磁介質(zhì)磁化率因此，其中，，相對磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率

例

有兩個半徑分別為和的“無限長”同軸圓筒形導(dǎo)體，在它們之間充以相對磁導(dǎo)率為的磁介質(zhì).當(dāng)兩圓筒通有相反方向的電流時，試求（1）磁介質(zhì)中任意點P

的磁感應(yīng)強度的大小;（2）圓柱體外面一點Q

的磁感強度.解對稱性分析II同理可求II測量磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系根據(jù)有介質(zhì)時的安培環(huán)路定理，當(dāng)勵磁電流為I時，環(huán)內(nèi)的磁場強度：一．磁化曲線鐵芯中的B由磁通計上的次級線圈測出。這樣，通過改變勵磁電流，可得到對應(yīng)的一組B和H的值，從而給出一條關(guān)于試樣B-H的關(guān)系曲線（磁化曲線）。磁滯回線

由于磁滯，當(dāng)磁場強度減小到零（即）時，磁感強度，而是仍有一定的數(shù)值，叫做剩余磁感強度(剩磁).

當(dāng)外磁場由逐漸減小時，磁感強度B并不沿起始曲線0P

減小，而是沿PQ比較緩慢的減小，這種B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象，叫做磁滯現(xiàn)象，簡稱磁滯.O磁滯回線三鐵磁性材料O軟磁材料O硬磁材料O矩磁鐵氧體材料

實驗表明，不同鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線形狀相差很大.巨磁阻效應(yīng)（GiantMagnetoresistance）磁阻效應(yīng)：物質(zhì)在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象。通常情況下物質(zhì)的電阻率隨磁場變化僅有微小的改變。在某種條件下，電阻率改變的幅度相當(dāng)大，比通常磁阻效應(yīng)高10余倍，稱為巨磁阻效應(yīng)。巨磁阻物質(zhì)中電流的增大與減小，可以定義為邏輯信號0與1，從而實現(xiàn)對硬盤的讀取。穩(wěn)恒磁場磁感應(yīng)強度

B的計算洛侖茲力Fm=qv×BFm

=qvBsinθ

安培力公式dF=Idl×BdF=IBdlsinθ磁力矩M=m×BM=mBsinθm=NIS無外磁場順磁質(zhì)的磁化分子圓電流和磁矩有外磁場2.磁介質(zhì)的分類

同向時

反向時無外磁場時抗磁質(zhì)分子磁矩為零

抗磁質(zhì)內(nèi)磁場抗磁質(zhì)的磁化