高二物理課件人教選修三 磁場對運動電荷的作用1

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歡迎進入物理課堂 7 6磁場對運動電荷的作用 7 6 1帶電粒子在磁場中的運動 說明 1 洛倫茲力F的方向垂直于v和B所確定的平面 2 洛倫茲力F不能改變帶電粒子速度v的大小 只能改變其運動方向 1 運動方向與磁場方向平行 0 F 0 結(jié)論 帶電粒子做勻速直線運動 周期 頻率 帶電粒子做勻速圓周運動 其周期和頻率與速度無關(guān) 結(jié)論 2 運動方向與磁場方向垂直 運動方程 3 運動方向沿任意方向 半徑 周期 螺距 結(jié)論 螺旋運動 勻速直線運動 勻速圓周運動 7 6 3電磁場控制帶電粒子運動的實例 1 速度選擇器 2 湯姆孫實驗 電子動能 電子束打在屏幕中央的條件 電子的比荷 電子的質(zhì)量 3 霍耳效應(yīng) 1879年 霍爾 E H Hall 1855 1936 發(fā)現(xiàn) 把一載流導(dǎo)體放在磁場中時 如果磁場方向與電流方向垂直 則在與磁場和電流兩者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差 這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng) 這電勢差稱為霍耳電勢差 動態(tài)平衡時 RH稱為霍耳系數(shù) 霍耳系數(shù)RH與載流子密度n成反比 在金屬中 由于載流子密度很大 因此霍耳系數(shù)很小 相應(yīng)霍耳效應(yīng)也很弱 而在一般半導(dǎo)體中 載流子密度n較小 因此霍耳效應(yīng)也較明顯 令 如果載流子帶正電荷 則 4 質(zhì)譜儀 質(zhì)譜儀是研究物質(zhì)同位素的儀器 N 為粒子源 P 為速度選擇器 7 7磁場對載流導(dǎo)線的作用 7 7 1載流導(dǎo)線在磁場中受的力 設(shè) 載流子數(shù)密度n 電流元截面積S 電流元中的電子數(shù)nSdl 載流子電荷量q 作用在電流元上的作用力 安培定律 安培力 磁場對電流的作用力 安培力的基本計算公式 例1計算長為L的載流直導(dǎo)線在均勻磁場B中所受的力 解 例2無限長直載流導(dǎo)線通有電流I1 在同一平面內(nèi)有長為L的載流直導(dǎo)線 通有電流I2 如圖所示 求長為L的導(dǎo)線所受的磁場力 解 平行電流間的相互作用 單位長度受力 電流單位 安培 的定義 設(shè) I1 I2 1A a 1m 單位長度導(dǎo)線受到的磁場力 兩平行長直導(dǎo)線相距1m 通過大小相等的電流 如果這時它們之間單位長度導(dǎo)線受到的磁場力正好是2 10 7N m時 就把兩導(dǎo)線中所通過的電流定義為 1安培 7 7 2載流線圈在磁場中所受的磁力矩 結(jié)論 平面載流線圈在均勻磁場中所受的安培力的矢量和為零 磁場對線圈作用的磁力偶矩大小 為線圈面積 N匝線圈 線圈磁矩 線圈所受磁力偶矩 注意 上式對均勻磁場中任意形狀的平面載流線圈都適用 力偶臂 討論 1 0 時 M 0 線圈處于穩(wěn)定平衡狀態(tài) 2 90 時 M Mmax NBIS 3 180 時 M 0 線圈處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài) 載流線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時磁場力的功 力矩的功 磁力矩 例4有一半徑為R的閉合載流線圈 通過電流I 今把它放在均勻磁場中 磁感應(yīng)強度為B 其方向與線圈平面平行 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 解 解法一 作用力垂直于線圈平面 力矩的功 力矩 解法二 線圈轉(zhuǎn)過90 時 磁通量的增量為 7 8磁介質(zhì) 7 8 1物質(zhì)的磁性 當(dāng)一塊介質(zhì)放在外磁場中將會與磁場發(fā)生相互作用 產(chǎn)生一種所謂的 磁化 現(xiàn)象 介質(zhì)中出現(xiàn)附加磁場 我們把這種在磁場作用下磁性發(fā)生變化的介質(zhì)稱為 磁介質(zhì) 設(shè) 外場的磁感應(yīng)強度為B0 介質(zhì)磁化后的附加磁場為B 磁介質(zhì)中的磁感應(yīng)強度 相對磁導(dǎo)率 令 0 r稱為磁導(dǎo)率 真空螺線管的磁場 介質(zhì)螺線管的磁場 四類磁介質(zhì) 1 順磁性介質(zhì) 介質(zhì)磁化后呈弱磁性 附加磁場B 與外場B0同向 B B0 r 1 2 抗磁性介質(zhì) 介質(zhì)磁化后呈弱磁性 附加磁場B 與外場B0反向 B B0 r 1 3 鐵磁性介質(zhì) 介質(zhì)磁化后呈強磁性 附加磁場B 與外場B0同向 B B0 r 1 4 完全抗磁體 r 0 B 0 磁介質(zhì)內(nèi)的磁場等于零 如超導(dǎo)體 分子磁矩順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化 近代科學(xué)實踐證明 組成分子或原子中的電子 不僅存在繞原子核的軌道運動 還存在自旋運動 這兩種運動都能產(chǎn)生磁效應(yīng) 把分子或原子看作一個整體 分子或原子中各電子對外產(chǎn)生磁效應(yīng)的總和 可等效于一個圓電流 稱為 分子電流 分子電流的磁矩稱為 分子磁矩 表示為 1 順磁質(zhì) 特點 存在分子固有磁矩 無外磁場 外磁場中 2 抗磁質(zhì) 特點 分子固有磁矩等于零 因此不存在順磁效應(yīng) 結(jié)論 注意 在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會存在抗磁效應(yīng) 只是抗磁效應(yīng)與順磁效應(yīng)相比較要小得多 因此在順磁質(zhì)中 抗磁效應(yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋 附加電子磁矩的方向總是和外磁場方向相反 由于分子中每一個運動電子都要產(chǎn)生與外磁場反向的附加磁矩 分子中各電子附加磁矩的矢量和即為分子的附加磁矩 磁介質(zhì)中大量分子的附加磁矩在宏觀上對外顯示出磁效應(yīng) 這一磁效應(yīng)與外磁場方向相反 我們把它稱為 抗磁效應(yīng) 7 8 2磁化強度與磁化電流 1 磁化強度 為了反映磁化程度的強弱 引入 磁化強度矢量 磁化強度 磁介質(zhì)中某一點處單位體積內(nèi)分子磁矩的矢量和 單位 2 磁化電流 以長直螺線管為例 介質(zhì)磁化以后 由于分子磁矩的有序排列 其宏觀效果是在介質(zhì)橫截面邊緣出現(xiàn)環(huán)形電流 這種電流稱為 磁化電流 Is 磁化電流與傳導(dǎo)電流的區(qū)別 磁化電流是分子電流規(guī)則排列的宏觀反映 并不伴隨電荷的定向運動 不產(chǎn)生熱效應(yīng) 而傳導(dǎo)電流是由大量電荷做定向運動而形成的 磁化電流面密度 介質(zhì)表面單位長度上的磁化電流 磁化強度矢量 結(jié)論 磁化強度在數(shù)值上等于磁化電流面密度 它們之間的關(guān)系由右手螺旋法則確定 結(jié)論 磁化強度沿閉合回路的環(huán)路積分 等于穿過回路所包圍面積的磁化電流 7 8 3磁介質(zhì)中的磁場磁場強度 磁介質(zhì)在磁化后 由于外磁場和附加磁場都屬于渦旋場 因此 在有磁介質(zhì)存在時 磁場中的高斯定理仍成立 1 有介質(zhì)存在時的高斯定理 2 有介質(zhì)存在時的安培環(huán)路定理 定義 磁場強度 存在磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理 系數(shù) m稱為 磁化率 結(jié)論 磁場強度沿任一閉合回路的環(huán)路積分 等于閉合回路所包圍并穿過的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和 在形式上與磁介質(zhì)中的磁化電流無關(guān) 令 稱為磁介質(zhì)的 相對磁導(dǎo)率 令 稱為磁導(dǎo)率 1 在真空中 2 在順磁質(zhì)中 3 在抗磁質(zhì)中 例5一半徑為R1的無限長圓柱形直導(dǎo)線 外面包一層半徑為R2 相對磁導(dǎo)率為 r的圓筒形磁介質(zhì) 通過導(dǎo)線的電流為I0 求磁介質(zhì)內(nèi)外磁場強度和磁感應(yīng)強度的分布 解 7 8 4鐵磁質(zhì) 鐵磁質(zhì)是一種強磁質(zhì) 磁化后的附加磁感應(yīng)強度遠大于外磁場的磁感應(yīng)強度 因此用途廣泛 鐵 鈷 鎳以及許多合金都屬于鐵磁質(zhì) 1 磁滯回線 Oa 起始磁化曲線 Hs 飽和磁場強度 Br 剩余磁感應(yīng)強度 Hc 矯頑力 鐵磁質(zhì)的特點 能產(chǎn)生非常強的附加磁場B 甚至是外磁場的千百倍 而且與外場同方向 B和H呈非線性關(guān)系 不是一個恒量 高 值 磁滯現(xiàn)象 B的變化落后于H的變化 鐵磁質(zhì)的分類 軟磁材料 磁滯回線細而窄 矯頑力小 磁滯損耗小 容易磁化 容易退磁 適用于交變磁場 如制造電機 變壓器等的鐵心 硬磁材料 磁滯回線較寬 剩余磁感應(yīng)強度和矯頑力都比較大 適合于制造永磁體 矩磁材料 磁滯回線接近于矩形 剩余磁感應(yīng)強度Br接近于飽和磁感應(yīng)強度Bs 適合于制作記錄磁帶及計算機的記憶元件 2 磁疇 鐵磁質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的磁矩會在一個微小的區(qū)域內(nèi)形成方向一致 排列非常整齊的 自發(fā)磁化區(qū) 稱為磁疇 磁疇大小 每個磁疇所含分子數(shù) 鐵磁質(zhì)在外磁場中的磁化過程主要為疇壁的移動和磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)向 自發(fā)磁化方向逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向 磁疇轉(zhuǎn)向 直到所有磁疇都沿外磁場方向整齊排列時 鐵磁質(zhì)就達到磁飽和狀態(tài) 鐵的居里點 T 1040K鎳的居里點 T 631K 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全