第 5 章 电流和磁力1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 电流和,磁力,一、,电流和电流密度,二、,电流的一种经典微观图像,三、,磁力与电荷的运动,四、,磁场和磁感应强度,五、,带电粒子在磁场中的运动,六、,霍尔效应,七、,载流导线在磁场中受的力,和,力矩,1,一、电流和电流密度,1.,电流的形成,电流,带电粒子的定向运动。,而形成电流的带电粒子称,载流子,。,如 电子、质子、离子、空穴等。,电流形成条件,(,导体内,),：,导体内有可以自由运动的电荷；,导体内要维持一个电场。,描述电流的物理量：,电流强度,I,、电流密度,J,2,一、电流和电流密度,2.,电流强度,大小：,单位时间通过导体某一横截面的 电量。,方向：,正电荷运动的方向,单位：,安培,（,A,）,，,是基本单位。,电量单位：,库伦,（,C,）,1 C=1 A s,3,一、电流和电流密度,3.,电流密度矢量,电流强度反映电流通过,某截面,的情况，它反映电流强弱，反映电流总体特征。但不能反映电流通过,某点,情况，不能反映电流的分布。,a,b,c,d,如对横截面不等的导体，,I,不能反映不同截面处及同一截面不同位置处电流流动的情况。,电流密度矢量的引人,4,电流密度,定义式,大小：,通过与该点场强方向垂直的单位截面积的 电流强度。,方向：,该点场强的方向。,单位：,A/m,2,5,电荷之间的相互作用有以下四种情况：,施力体,力的性质,实现方式,受力体,静止电荷,静止电荷,运动电荷,静止电荷,静止电荷,运动电荷,运动电荷,运动电荷,电场力,电场力,电场力磁力,电场力,通过电场、磁场实现,通过电场实现,与带电体的运动速度有关,三、,磁力,与电荷的运动,6,结论：,电荷与电荷之间,的作用力,是,电场力还是磁力,取决于,电荷的运动,。,换句话说，电荷周围产生,电场还是磁场,，取决于,参考系的选择,。,电场和磁场,不是两个独立的实体，它们构成一个统一实体,电磁场,，用六个分量描述。,三、,磁力,与电荷的运动,一切电磁现象都起因于电荷及电荷运动。,7,磁力存在于下列几种情况：,磁铁,磁铁,磁铁,电流,（或运动电荷）,电流,（或运动电荷）,电流,（或运动电荷）,三、,磁力,与电荷的运动,8,第六章 稳恒磁场,中国在磁学方面的贡献：,最早发现磁现象：磁石吸引铁屑,春秋战国,吕氏春秋,记载：,磁石召铁,东汉王充,论衡,描述：,司南勺,最早的指南器具,十一世纪沈括发明指南针，发现地磁偏角，,比欧洲的哥伦布早四百年,十二世纪已有关于指南针用于航海的记载,司南勺,9,第六章 稳恒磁场,早期的磁现象包括,:,(1),天然磁铁,吸引铁、钴、镍等物质,。,(2),条形磁铁两端磁性最强，称为磁极。一只能够在水平面内自由转动的条形磁铁，平衡时总是顺着南北指向。指向地球北极的一端磁极称为北极或,N,极，指南的一端称为南极或,S,极。同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。,(3),把磁铁作任意分割，每一小块都有南北两极，任一磁铁总是两极同时存在。,(4),某些本来不显磁性的物质，在接近或接触磁铁后就有了磁性，这种现象称为磁化。,10,第六章 稳恒磁场,奥斯特,奥,斯,特（,17771851,）丹麦物理学家。,青年时代的奥斯特是康德的崇拜者，基于其哲学的倾向，他一直坚信电磁之间一定有某种关系，电一定可以转化为磁。,1820,年在做实验，发现电流接通时附近的小磁针动了一下，奥斯特惊喜万分，又反复实验，终于发现了电流的磁效应。就在这一年，将他的这一发现，以名为“关于磁针上电流碰撞的实验”的论文发表。,11,S,N,S,N,磁铁间的相互作用,基本磁现象,12,S,N,磁铁间的相互作用,基本磁现象,S,N,13,14,I,S,N,电流对磁铁的作用,15,I,电流对磁铁的作用,S,N,16,17,18,S,+,磁场对运动电荷的作用,N,电子束,19,电流与电流之间的相互作用,F,F,I,I,20,电流与电流之间的相互作用,I,I,F,F,21,22,+,+,v,v,F,F,e,e,电力,电力,F,F,m,m,磁力,磁力,运动电荷与运动电荷的相互作用,23,1822,年安培提出,磁现象的本质,假说：,磁现象起源于,电流（电荷运动,）。,对于磁性物质，分子中存在分子电流，它们按某种规则排列，对外产生磁效应。,永磁体,三、,磁力,与电荷的运动,磁力,(,磁性）产生的根源是什么？,分子电流,24,所有磁现象可归纳为：,运动电荷,A,A,的,磁场,B,的,磁场,产,生,作,于,用,产,生,作,于,用,运动电荷,B,结论：,磁力（磁现象）都是运动电荷之间相互作用的表现。,25,四、磁场和磁感应强度,1.,磁场,运动电荷周围,既有电场又有磁场,磁场是物质存在的一种形态，具有质量、能量、动量，对外表现在：,对处于其中的运动电荷,(,或电流,),有作用力；,在磁场中移动载流导线，磁场对载流导线做功。,磁场用什么量描述？,26,2.,磁感应强度,四、磁场和磁感应强度,描述磁场性质的重要物理量,磁感应强度的定义：,运动电荷在磁场中要受到磁力作用，实验证明：,磁力大小和电荷运动方向有关；,当电荷沿某一特定方向运动时磁力为零，定义磁力为零的方向为磁场的方向。,27,当电荷运动方向和磁场方向垂直时，所受磁力最大。,该点磁场的强弱,为此定义,:,且：,F,m,qv,而比值,F,m,qv,和,qv,无关,它反映了,磁感应强度,B,的大小,:,F,B,=,m,qv,28,四、磁场和磁感应强度,q,沿任意方向运动时，发现,关于磁感应强度的讨论：,磁感应强度是反映磁场性质的物理量，与引入到磁场,的运动电荷,无关。,29,四、磁场和磁感应强度,记作,其中 、三矢量符合右手螺旋定则,磁感应强度 的,单位,特斯拉,简称为,特,（,T,）,高斯,（,G,）,1G,=10,-4,T,P.409,表,14.1,运动电荷在磁场中受磁力,30,四、磁场和磁感应强度,3,、,运动电荷在电磁场中受力：,电场力，与电荷的运动状态无关,四、磁场和磁感应强度,洛仑兹力公式,磁场力，,与电荷的运动状态有关,31,四、磁场和磁感应强度,4.,磁通量,描述磁场性质的物理量：,磁感应强度,磁,感应,线,（,B,线）,磁感应线的规定：,磁感应线上任一点的切线方向为该点磁感应强度,B,的方向；,通过垂直于,B,的单位面积上的磁感应线的条数等于该处,B,值的大小。,32,各种典型的磁感应线的分布：,直线电流的磁感线,圆形电流的磁感线,33,直螺线管电流的磁感线,环形螺线管电流的磁感线,34,直线电流的磁感应线,I,B,I,35,I,圆电流的磁感应线,36,通电螺线管的磁感应线,I,I,37,磁感应线的特征：,无头无尾的闭合曲线,与电流套连,与电流成右手螺旋关系,38,四、磁场和磁感应强度,磁通量,等于,通过该面积的磁感应线的总条数,。,磁通量单位,韦伯,简称为,韦,（,Wb,）,1,Wb,=1Tm,2,故,磁感,应,强度,单位,也可写成,1T=1,Wb,/,m,2,39,五、带电粒子在磁场中的运动,1.,带电粒子速度与磁场垂直,大小,方向,始终与电荷的运动方向垂直,40,五、带电粒子在磁场中的运动,回旋半径,R,回旋周期,41,五、带电粒子在磁场中的运动,沿磁场方向,粒子作,匀速,运动,2.,带电粒子速度与磁场不垂直,垂直磁场方向,粒子作,匀速,圆周,运,动,（回旋运动）,42,五、带电粒子在磁场中的运动,粒子总的运动是一个轴线沿磁场方向的螺旋运动,h,43,五、带电粒子在磁场中的运动,螺旋线半径,回旋周期,螺旋轨迹的螺距,h,44,五、带电粒子在磁场中的运动,磁聚焦,会聚到一点的现象与透镜将光束聚焦现象十分相似，因此叫,磁聚焦,。,3.,带电粒子在磁场中运动举例,一束发散角不大的带电粒子束，当它们在磁场,B,的方向上具有大致相同的速度分量时，它们有相同的螺距。经过一个周期它们将重新会聚在另一点，这种发散粒子束,45,h,R,磁镜（或磁塞）,均匀磁场,（非均匀磁场）,46,五、带电粒子在磁场中的运动,在非均匀磁场中,磁场较强的地方，回旋半径和螺距都较小。带电粒子所受洛伦兹力恒有一指向磁场较弱方向的分量阻碍其继续前进，就象遇,反射镜一样。这种强度逐渐增强的磁场称为,磁镜,。,47,五、带电粒子在磁场中的运动,两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的磁场。带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁场内来回运动而不能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称为,磁瓶,。,磁约束,48,五、带电粒子在磁场中的运动,地球的磁场与一个棒状磁体的磁场相似，地磁轴与自转轴的交角为,11.5,0,，地磁两极在地面上的位置是经常变化的。,范艾仑辐射带和北极光,49,五、带电粒子在磁场中的运动,从赤道到地磁的两极磁场逐渐增强，因此地磁场是一个天然的磁约束捕集器，它使来自,宇宙射线,和,“,太阳风,”,的,带电粒子,围绕地磁场的磁感应线做螺旋运动，而在靠近地磁南、北两极处被反射回来。这样，带电粒子就在地磁南、北两极之间来回振荡，直到由于粒子间的碰撞而被逐出为止。,50,五、带电粒子在磁场中的运动,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,外层,在,60 000 km,处,800 km-4 000 km,内层,地面上空,51,由于地磁场俘获带电粒子而出现的现象,52,五、带电粒子在磁场中的运动,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射就形成了绚丽多彩的,极光,。,53,绚丽多彩的极光,54,六、霍尔效应,1.,实验现象,把一载流导体薄板放在磁场中时，如果磁场方向垂直于薄板平面，则在薄板的上、下两侧,面之间会出现微弱电势差，这一现象称为,霍耳效应,，其电势差称为,霍耳电压,。,55,六、霍尔效应,2.,经典理论解释,电子受力,平衡时,h,b,n,而,（霍耳电压）,56,六、霍尔效应,2.,应用,判断半导体的载流子种类（电子、空穴？）和,载流子浓度,。,57,在一霍耳效应的实验中，通过半导体的电流 和,的方向垂直（如图）。如果上表面的电势较高，则半导体中的载流子是,电荷，如果下表面的电势较高，则半导体中的载流子是,电荷。,答案：,空穴、电子,58,59,六、霍尔效应,磁强计（高斯计）：测量磁场的大小和方向。,磁流体发电。,60,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,1.,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,。,61,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,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。,62,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,2.,安培力公式,任意,电流元,dl,受力为,整段导体受力,63,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,例题,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。,=30,64,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,解,在,圆弧,上任取电流元,方向,=30,65,推论：,例,2,均匀磁场中半圆形载流导线所受的作用力,已知：,I,、,B,、,R,答案：,2BIR,o,R,I,在,均匀磁场,中对,任一弯曲载流导线,的作用力,等效于,从,起点到终点的矢量方向,的直导线的作用力。,均匀磁场,中任意闭合载流回路所受的磁力的矢量和为零。,66,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,3.,载流线圈在均匀磁场中所受的力矩,在均匀磁场中，有一刚性矩形载流线圈,abcd,，,它的边长分别为,l,1,和,l,2,，,电流为,I,。,a,b,c,d,l,2,I,l,1,规定,线圈法线方向,与,电流的流向,符合,右手螺旋关系,，与磁场 的方向夹角为,。,定义,称载流线圈的,磁（偶极）矩,67,比较：,运动电荷的特征量：,电流元的特征量：,载流线圈的特征量：,电流元在磁场中受力,安培力,载流线圈在均匀磁场中所受的力矩,运动电荷在磁场中受磁力,洛仑兹力,68,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,a,b,c,d,l,2,I,l,1,对于导线,ad,段和,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。,69,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,而导线,ab,段和,cd,段所受磁场作用力的大小为：,a,（,b,）,I,l,1,d,（,c,）,因此线圈在磁场中受到一个磁力矩的作用。,这两个力的方向相反，但不在同一直线上。,a,b,c,d,l,2,I,l,1,70,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,线圈在磁场中受到的磁力矩的大小为：,a,（,b,）,I,l,1,d,（,c,）,其中,磁力矩的矢量表示,71,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,定义,称为载流线圈的,磁偶极矩,，简称,磁矩,。,a,（,b,）,I,l,1,d,（,c,）,则,上式对所有闭合电流均成立,。,磁矩是微观粒子本身的特性之一。,磁矩单位,Am,2,或,Nm/T,72,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,几种特殊情况：,当 时，线圈平面与 垂直，此时线圈处于稳定平衡状态；,当 时，线圈平面与 平行，此时,a,b,c,d,I,a,b,c,d,I,73,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,当 时，线圈平面与 垂直，但载流线圈的 方向与 的方向相反，此时线圈处于不稳定平衡状态。,a,b,c,d,I,总之，磁场对载流线圈作用的磁力矩，总是使磁矩 转到磁感强度的方向上。,74,七、载流导线在磁场中所受的力和力矩,75,I,b,c,a,R,一半径为,R=,0.2m,，通有电流为,I=,5A,的半圆形闭合线圈。按图示方式置于均匀外磁场,中，,B=0.5T,，磁场方向与线圈平面平行，则线圈中圆弧形载流导线,abc,所受安培力的大小,F,abc,=,，线圈所受磁力矩的大小,M=,，其方向,。,答案：,2BIR,竖直向上,76,77,