大學(xué)物理課件——磁力

1、21-1 21-1 運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力21-2 21-2 霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)21-3 21-3 載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力21-4 21-4 磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用21-5 21-5 平行載流導(dǎo)線間相互作用力平行載流導(dǎo)線間相互作用力主要內(nèi)容主要內(nèi)容 第二十一章第二十一章 磁力磁力一一. .洛侖茲力洛侖茲力21-1 21-1 運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場(chǎng)中受的力運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場(chǎng)中受的力表達(dá)式：表達(dá)式： BvqFL 特特 點(diǎn)：點(diǎn)： 洛倫磁力永遠(yuǎn)不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作功。洛倫磁力永遠(yuǎn)不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作功。二、帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)二、帶電粒子在

2、均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)00 BvqF1 1、 與與 平行時(shí)平行時(shí): :0vB設(shè)粒子的電量設(shè)粒子的電量 , ,質(zhì)量質(zhì)量 , , 初速度初速度 ，磁場(chǎng)：，磁場(chǎng)：0vq mBRvmBvqoo2 BqmRvo BqmvRT220 2 2、 與與 垂直時(shí)垂直時(shí): :v0B粒子作勻速率圓周運(yùn)動(dòng)粒子作勻速率圓周運(yùn)動(dòng)BvqFoL LFBqvFFLn0 mqBov與速率無關(guān)與速率無關(guān)半徑：半徑：周期：周期：nnmaF 3 3、 與與 成成 時(shí)時(shí): :0vB B0vvvsin0 cosovv 粒子作螺旋線運(yùn)動(dòng)粒子作螺旋線運(yùn)動(dòng)BqmT2 cos2ovBqmTvh 螺距（在一個(gè)周期內(nèi)沿磁

3、場(chǎng)方向行進(jìn)的距離）螺距（在一個(gè)周期內(nèi)沿磁場(chǎng)方向行進(jìn)的距離）Bqvmsin0 BqvmR 應(yīng)用：磁聚焦應(yīng)用：磁聚焦 磁聚焦磁聚焦 磁約束磁約束用途：判斷半導(dǎo)體類型用途：判斷半導(dǎo)體類型 測(cè)測(cè)載流子濃度、載流子濃度、磁場(chǎng)等磁場(chǎng)等18791879年美國物理學(xué)家霍耳發(fā)現(xiàn)：年美國物理學(xué)家霍耳發(fā)現(xiàn)：21-2 21-2 霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)載流金屬薄板放入磁場(chǎng)中載流金屬薄板放入磁場(chǎng)中霍耳電勢(shì)差：霍耳電勢(shì)差：nqdIBUH 半導(dǎo)體半導(dǎo)體: P: P型型: :載流子帶正電載流子帶正電 n n型型: :載流子帶負(fù)電載流子帶負(fù)電BqqEv HbEUH Hbdqnv SqnIv Bbv -BqFmFevHBvNqFd lB

4、lIdFdFB整個(gè)電流受力：整個(gè)電流受力：IIdl21-3 21-3 載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：載流導(dǎo)線中載流導(dǎo)線中電子定向移動(dòng)時(shí)受洛侖茲力電子定向移動(dòng)時(shí)受洛侖茲力一、安培定律一、安培定律取電流元取電流元 ,受力受力:lId安培定律安培定律BlIdFd InqvSBvnSdlq )b()a(BlIdFBl dIba )()()(均勻磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng): :Bl Iab FBIablab注意使用的條件！注意使用的條件！均勻磁場(chǎng)，載流直導(dǎo)線，電流與磁場(chǎng)垂直：均勻磁場(chǎng)，載流直導(dǎo)線，電流與磁場(chǎng)垂直：Bl I 導(dǎo)導(dǎo)線線FIlBF 例例1:1:在在均勻磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng)中放置一半

5、徑為中放置一半徑為R R的半圓形導(dǎo)線的半圓形導(dǎo)線, ,電流強(qiáng)度為電流強(qiáng)度為I I， 導(dǎo)線兩端連線與磁感強(qiáng)度方向夾角導(dǎo)線兩端連線與磁感強(qiáng)度方向夾角 =30=30。 求：此段圓弧電流受的磁力。求：此段圓弧電流受的磁力。B ab均勻均勻磁場(chǎng)磁場(chǎng)BIlFabsin IBR 磁力磁力方向：方向：FIRlab2 解：解：磁力大?。捍帕Υ笮。築l Iab F例例2 :2 :圓柱形磁鐵圓柱形磁鐵 N 極上方水平放置一個(gè)載流導(dǎo)線環(huán)，半徑為極上方水平放置一個(gè)載流導(dǎo)線環(huán)，半徑為R, 導(dǎo)線所在處磁場(chǎng)導(dǎo)線所在處磁場(chǎng)B, 方向與豎直方向成方向與豎直方向成 角角.求：載流導(dǎo)線環(huán)所受的力。求：載流導(dǎo)線環(huán)所受的力。圓環(huán)受的總磁

6、力的方向：在鉛直方向，圓環(huán)受的總磁力的方向：在鉛直方向， sindFFFz sin2 RIB RodlIB2sinFdlIdRNzBFd解：解：對(duì)稱性分析：對(duì)稱性分析：oIdlBdF90sin dFdFzsin B例例3 3 測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度常用的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度常用的實(shí)驗(yàn)裝置-磁秤如圖所示磁秤如圖所示, ,它它的一臂下面掛有以矩形線圈，寬為的一臂下面掛有以矩形線圈，寬為b b，長(zhǎng)為，長(zhǎng)為l l，共有，共有N N匝，線圈匝，線圈的的下端放在待測(cè)的均勻磁場(chǎng)中，的的下端放在待測(cè)的均勻磁場(chǎng)中，其平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直，當(dāng)線其平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直，當(dāng)線圈中通有電流圈中通有電流I I時(shí)，線圈受到一時(shí)，

7、線圈受到一向上的作用力，使天平失去平衡，向上的作用力，使天平失去平衡，調(diào)節(jié)砝碼調(diào)節(jié)砝碼m 使兩臂達(dá)到平衡。使兩臂達(dá)到平衡。求求: :待測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。待測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。BI解：解：線圈的底邊上受到安培力：線圈的底邊上受到安培力：NBIbF 方向向上方向向上天平恢復(fù)平衡時(shí)，天平恢復(fù)平衡時(shí)，mgNBIb NIbmgB 待測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度：待測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度：F2BIlFFCDAB 力偶力偶 合力矩：合力矩：BPMm 二、二、均勻均勻磁場(chǎng)對(duì)平面載流線圈的作用磁場(chǎng)對(duì)平面載流線圈的作用21-4 21-4 磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用0 合合F合力：合力：一、載流線圈的磁矩：一、載

8、流線圈的磁矩：SNIPm 記記記記討論：討論：3 3）上式不僅適用矩形線圈，也適于任意形狀的線圈）上式不僅適用矩形線圈，也適于任意形狀的線圈, 0 1 1）當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 線圈處于平衡狀態(tài)；線圈處于平衡狀態(tài)； 0 M2 2）當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，BISMM max結(jié)論：磁力矩總是使磁矩轉(zhuǎn)到磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向結(jié)論：磁力矩總是使磁矩轉(zhuǎn)到磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向BPMm 合合BI1FmP2F大?。捍笮。?sinBPMm 合合方向：方向：一一致致與與BPm dIBo 211電流電流 I1在電流在電流 I2處產(chǎn)生的磁場(chǎng)為：處產(chǎn)生的磁場(chǎng)為：I2上取上取dl長(zhǎng)長(zhǎng):ddlIIdlBIdFo 221122dIIdldFFo 22122單位長(zhǎng)度載流導(dǎo)線受力單位長(zhǎng)度載流導(dǎo)線受力: :21-5 21-5 平行載流導(dǎo)線間相互作用力平行載流導(dǎo)線間相互作用力思考思考: :多根平行長(zhǎng)直載流導(dǎo)線如何多根平行長(zhǎng)直載流導(dǎo)線如何? ?I1I2I3d1d21Id2I安培力的功安培力的功:mIA BIFabdcabBI d記記1 1、載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中平動(dòng)、載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中平動(dòng) BIFabdc