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1、第 6 章 磁力,一、磁力与电荷的运动 二、磁场和磁感应强度 三、带电粒子在磁场中的运动 四、霍尔效应 五、载流导线在磁场中受的力,一、磁力与电荷的运动,1. 磁性,天然磁铁（Fe3O4）或人造磁铁具有能吸引铁、钴、镍等物质的特性：磁性；,磁铁具有磁极：N极、S极，N极、S极同时存在，不可分割（磁单极子不存在）；,磁极之间有相互作用力：磁力。同号磁极相斥，异号磁极相吸。,一、磁力与电荷的运动,2. 历史,1819年：奥斯忒发现电流对小磁针的作用；,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；,一、磁力与电荷的运动,1820年：安培发现磁
2、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）。,一、磁力与电荷的运动,3. 磁力产生的根源,结论： 磁力都是运动电荷之间相互作用的表现。,分子电流,永磁体,二、磁场和磁感应强度,1. 磁场,运动电荷在其周围空间除了产生电场，还产生了磁场。,二、磁场和磁感应强度,2. 运动电荷受的力,电场力,洛仑兹力（实验规律）,电场力，与电荷的运动状态无关,二、磁场和磁感应强度,洛仑兹力公式,磁场力，运动电荷才受磁力,二、磁场和磁感应强度,3.,确定 的大小与方向的实验步骤,将检验电荷 q 置于电
3、流或者永磁体附近某点,q 静止 ,q 以某一速度运动 ,q 沿某一方向（或其反方向）运动不受磁力 的方向,二、磁场和磁感应强度,q 沿任意方向运动时，发现,规定 的方向 满足右手螺旋定则。,二、磁场和磁感应强度,发现,的大小,记作,二、磁场和磁感应强度,4. 磁感应强度,单位,P. 198 表7.1,特斯拉 简称为特（T）,是描述磁场中各点磁场的强弱和方向的物理量，是矢量点函数。若磁场中各点都相同，则称该磁场为匀强磁场。,高斯（G） 1G = 10-4T,二、磁场和磁感应强度,4. 磁通量,磁感应线（B 线） P. 199,二、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根数。,磁通
4、量单位 韦伯 简称为韦（Wb） 1 Wb = 1Tm2,故 磁感应强度单位也可写成 1T = 1 Wb /m2,三、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,三、带电粒子在磁场中的运动,回旋半径 R,回旋周期,三、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）,三、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,三、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,三、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
5、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,三、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。,磁镜（或磁塞）,三、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,三、带
6、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11.50，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,三、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。,三、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
7、处,三、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。,四、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。,四、霍尔效应,2. 经典理论解释,电子受力,平衡时,四、霍尔效应,2. 应用,判断半导体的载流子种类（电子、空穴？）。,四、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。,五、载流导线在磁场中所受的力,
8、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。,五、载流导线在磁场中所受的力,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。,五、载流导线在磁场中所受的力,2. 安培力公式,任意电流元受力为,整个受力,例 P.207,五、载流导线在磁场中所受的力,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。,五、载流导线在磁场中所受的力,解,在电流上任取电流元
9、,方向,五、载流导线在磁场中所受的力,3. 载流线圈在磁场中所受的力矩,在均匀磁场中，有一刚性矩形载流线圈abcd，它的边长分别为 l1 和 l2，电流为I。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。,五、载流导线在磁场中所受的力,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。,五、载流导线在磁场中所受的力,而导线 ab 段和 cd 段所受磁场作用力的大小为：,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。,五、载流导线在磁场中所受的力,线圈在磁场中受到的磁力矩的大小为：,其中,
10、磁力矩的矢量表示,五、载流导线在磁场中所受的力,定义,称为载流线圈的磁偶极矩，简称磁矩。,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,Am2 或 Nm/T,五、载流导线在磁场中所受的力,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,五、载流导线在磁场中所受的力,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。,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。,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 与磁场 的方向夹角 增大时，外力克服磁力矩做功,五、载流导线在磁场中所受的力,外力克服磁力矩所做的功就是磁矩在磁场中势能的增量。,令 = /2，势能 = 0，则势能定义为,五、载流导线在磁场中所受的力,当 时，线圈平面与 垂直，此时线圈处于稳定平衡状态；,当 时，线圈处于不稳定平衡状态。,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,力 矩,势 能,例 P.212,