大学物理必修课-磁力

格式：ppt
大小：387.50 KB
文档页数：27

下载文档原格式

《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。

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。

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

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

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

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)