高中物理竞赛教程超详细第三讲电磁感应.docx
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高中物理竞赛教程超详细第三讲电磁感应
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第三讲 磁场
§3.1基本磁现象
由于自然界中有磁石（）存在，人类很早以前就开始了对磁现象的研究。
人们把磁石能吸引铁`钴`镍等物质的性质称为磁性。
条形磁铁或磁针总是两端吸引铁屑的能力最强，我们把这吸引铁屑能力最强的区域称之为磁极。
将一条形磁铁悬挂起来，则两极总是分别指向南北方向，指北的一端称北极（N表示）；指南的一端称南极（S表示）。
磁极之间有相互作用力，同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引。
磁针静止时沿南北方向取向说明地球是一个大磁体，它的N极位于地理南极附近，S极位于地理北极附近。
1820年，丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应。
第一个揭示了磁与电存在着联系。
长直通电导线能给磁针作用；通电长直螺线管与条形磁铁作用时就如同条形磁铁一般；两根平行通电直导线之间的相互作用......，所有这些都启发我们一个问题:
磁铁和电流是否在本源上一致?
1822年，法国科学家安培提出了组成磁铁的最小单元就是环形电流，这些分子环流定向排列，在宏观上就会显示出N、S极的分子环流假说。
近代物理指出，正是电子的围绕原子核运动以及它本身的自旋运动形成了"分子电流"，这就是物质磁性的基本来源。
一切磁现象的根源是电流，以下我们只研究电流的磁现象。
§3.2磁感应强度
3．2．1、磁感应强度、毕奥萨伐尔定律
将一个长L，I的电流元放在磁场中某一点，电流元受到的作用力为F。
当电流元在某一方位时，这个力最大，这个最大的力和IL的比值，叫做该点的磁感应强度。
将一个能自由转动的小磁针放在该点，小磁针静止时N极所指的方向，被规定为该点磁感应强度的方向。
真空中，当产生磁场的载流回路确定后，那空间的磁场就确定了，空间各点的也就确定了。
根据载流回路而求出空间各点的要运用一个称为毕奥-萨伐尔定律的实验定律。
毕-萨定律告诉我们：
一个电流元IL（如图3-2-1）在相对电流元的位置矢量为的P点所产生的磁场的磁感强度大小为，为顺着电流IL的方向与方向的夹角，的方向可用右手螺旋法则确定，即伸出右手，先把四指放在IL的方向上，顺着小于的角转向方向时大拇指方向即为的方向。
式中K为一常数，K=韦伯/安培米。
载流回路是由许多个IL组成的，求出每个IL在P点的后矢量求和，就得到了整个载流回路在P点的。
如果令，特斯拉米安，那么又可写为
称为真空的磁导率。
下面我们运用毕--萨定律，来求一个半径为R，载电流为I的圆电流轴线上，距圆心O为的一点的磁感应强度
在圆环上选一I，它在P点产生的磁感应强度，其方向垂直于I和所确定的平面，将分解到沿OP方向和垂直于OP方向，环上所有电流元在P点产生的的和为零，
B=（线性一元叠加）
在圆心处，，
3．2．2、由毕--萨定律可以求出的几个载流回路产生的磁场的磁感应强度
（1）无限长载流直导线
为了形象直观地描述磁场，引进了与电感线相似的磁感线。
长直通电导线周围的磁感线如图3-2-3所示。
如果导线中通过的电流强度为I，在理论上和实验中都可证明，在真空中离导线距离为r处的磁感强度
或
式中称为真空中的磁导率，大小为。
（2）无限长圆柱体
无限长载流直导线r为所求点到直导线的垂直距离。
半径为R，均匀载有电流，其电流密度为j的无限长圆柱体
当r＜R，即圆柱体内
当r＞R，即圆柱体外
（3）长直通电螺线管内磁场
长直导电螺线管内磁场如图图3-2-4所示可认为是匀强磁场，场强大小可近似用无限长螺线管内B的大小表示
n为螺线管单位长度的匝数
（4）螺绕环的磁场与长直通电螺线管内磁场的磁场相同。
3．2．3、磁感应线和磁通量
为了形象地描绘磁场的分布，在磁场中引入磁感应线，亦即磁力线。
磁力线应满足以下两点：
第一，磁感应线上任一点的切线方向为该点磁感应强度的方向；第二，通过垂直于的单位面积上的磁感应线的条数应等于该处磁感应强度的大小。
图3-2-5的（a）和（b）分别给出了无限长载流导线和圆电流的磁场的磁力线。
从图中可看到：
磁力线是无头无尾的闭合线，与闭合电路互相套合。
磁感线是一簇闭合曲线，而静电场的电感线是一簇不闭合的曲线（或者是从正电荷到负电荷，或者是从正电荷到无穷远处，从无穷远处到负电荷）。
这是一个十分重要的区别，凡是感线为闭合曲线的场都不可能是保守场。
磁感强度是一个矢量，如果两个电流都对某处的磁场有贡献，就要用矢量合成的方法。
如果有a、b两根长直通电导线垂直于纸面相距r放置，电流的大小，（图3-2-6）那么哪些位置的磁感强度为零呢？
在a、b连线以外的位置上，两根导线上电流所产生的磁感强度和的方向都不在一直线上，不可能互相抵消；在a、b连线上，a左边或b右边的位置上，和的方向是相同的，也不可能互相抵消；因此只有在a、b中间的连线上，和才有可能互相抵消，设离a距离为的P处合磁感应强度为零（图3-2-6）
（矢量式）=
，
通过一给定曲面的总磁力线数称为通过该曲面的磁通量，磁通量的单位是韦伯，1韦伯=1特斯拉1米。
图3-2-7（a）中，通过匀磁场中与磁力线垂直的平面的磁通量为；而通过与磁力线斜交的S面的磁通量为：
（角即是两个平面S和S的夹角，也是S面的法线与的夹角）。
而在（b）中，磁场和曲面都是任意的，要求出通过S面的磁通量应把通过S面上每一小面元的磁通量求出后求和，即：
3．2．4、磁场中的高斯定理
考虑到磁力线是无头无尾的封闭曲线，对磁场中任一封闭曲面来说，有多少根磁力线穿入，必有多少根穿出，即通过磁场中任一封闭曲面的磁通量为零。
这就是磁场的高斯定理，它表明了磁场一个重要性质，即磁场是无源场，自然界中没有单独的N极或S极存在。
3．2．5、典型例题
例1：
图3-2-8所示，两互相靠近且垂直的长直导线，分别通有电流强度和的电流，试确定磁场为零的区域。
分析：
建立图示直角坐标系，用安培定则判断出两电流形成的磁场方向后，可以看出在Ⅰ、Ⅲ两象限内，两磁场方向相反，因此合磁场为零区域只能出现在这两个象限内。
解：
设P（x、y）点合磁感强度为零，即有得这就是过原点的直线方程，其斜率为I/I。
例2：
如图3-2-9所示，将均匀细导线做成的圆环上任意两点A和B与固定电源连接起来，计算由环上电流引起的环中心的磁感强度。
分析：
磁感强度B可以看成圆环上各部分（将圆环视为多个很小长度部分的累加）的贡献之和，因为对称性，圆环上各部分电流在圆心处磁场是相同或相反，可简化为代数加减。
解：
设A、B两点之间电压为U，导线单位长度电阻，如图3-2-10所示，则二段圆环电流
磁感强度B可以是圆环每小段部分磁场的叠加，在圆心处，可表达为，所以：
因故，即两部分在圆心处产生磁场的磁感强度大小相等，但磁场的方向正好相反，因此环心处的磁感强度等于零。
§3.3磁场对载流导体的作用
3．3．1、安培力
一段通电直导线置于匀磁场中，通电导线长L，电流强度为I，磁场的磁感应强度为B，电流I和磁感强度B间的夹角为，那么该导线受到的安培力为电流方向与磁场方向平行时，，或，F=0，电流方向与磁场方向垂直时，，安培力最大，F=BIL。
安培力方向由左手定则判断，它一定垂直于B、L所决定的平面。
当一段导电导线是任意弯曲的曲线时，如图3-3-1所示可以用连接导线两端的直线段的长度作为弯曲导线的等效长度，那么弯曲导线缩手的安培力为
3．3．2、安培的定义
如图3-3-2所示，两相距为a的平行长直导线分别载有电流和。
载流导线1在导线2处所产生的磁感应强度为，方向如图示。
导线2上长为的线段所受的安培力为：
=
其方向在导线1、2所决定的平面内且垂直指向导线1，导线2单位长度上所受的力
同理可证，导线?
上单位长度导线所受力也为。
方向垂直指向2，两条导线间是吸引力。
也可证明，若两导线内电流方向相反，则为排斥力。
国际单位制中，电流强度的单位安培规定为基本单位。
安培的定义规定为：
放在真空中的两条无限长直平行导线，通有相等的稳恒电流，当两导线相距1米，每一导线每米长度上受力为2牛顿时，各导线上的电流的电流强度为1安培。
3．3．3、安培力矩
如图3-3-3所示，设在磁感应强度为B的均匀磁场中，有一刚性长方形平面载流线图，边长分别为L和L，电流强度为I，线框平面的法线与之间的夹角为，则各边受力情况如下：
方向指向读者
方向背向读者
方向向下
方向向上
和大小相等，方向相反且在一条直线上，互相抵消。
和大小相等，指向相反，但力作用线不在同一直线上，形成一力偶，力臂从图3－3－3中可看出为
故作用在线圈上的力矩为：
而为线圈面积S，故
我们称面积很小的载流线圈为磁偶极子，用磁偶极矩来描绘它。
其磁偶极矩的大小为平面线圈的面积与所载电流的电流强度之乘积，即，其方向满足右手螺旋法则，即伸出右手，四指绕电流流动方向旋转，大拇指所指方向即为磁偶极矩的方向，如图3-3-4中的方向，则角即为磁偶极矩与磁感应强度的正方向的夹角。
这样，线圈所受力矩可表为
我们从矩形线圈推出的公式对置于均匀磁场中的任意形状的平面线圈都适合。
典型例题
例1．距地面h高处1水平放置距离为L的两条光滑金属导轨，跟导轨正交的水平方向的线路上依次有电动势为的电池，电容为C的电容器及质量为m的金属杆，如图3-3-5，单刀双掷开关S先接触头1，再扳过接触头2，由于空间有竖直向下的强度为B的匀强磁场，使得金属杆水平向右飞出做平抛运动。
测得其水平射程为s，问电容器最终的带电量是多少？
分析：
开关S接1，电源向电容器充电，电量。
S扳向2，电容器通过金属杆放电，电流通过金属杆，金属杆受磁场力向右，金属杆右边的导轨极短，通电时间极短，电流并非恒定，力也就不是恒力。
因此不可能精确计算每个时刻力产生的效果，只能关心和计算该段短时间变力冲量的效果，令金属杆离开导轨瞬间具有了水平向右的动量。
根据冲量公式，跟安培力的冲量相联系的是时间内流经导体的电量。
由平抛的高度与射程可依据动量定理求出，电容器最终带电量可求。
解：
先由电池向电容器充电，充得电量。
之后电容器通过金属杆放电，放电电流是变化电流，安培力也是变力。
根据动量定理：
其中=s/t，h=gt
综合得
电容器最终带电量
点评：
根据动量定理来研究磁场力冲量产生的效果，实际上就是电量和导体动量变化的关系，这是磁场中一种重要的问题类型。
例2图3-3-6中，无限长竖直向上的导线中通有恒定电流，已知由产生磁场的公式是，k为恒量，r是场点到导线的距离。
边长为2L的正方形线圈轴线与导线平行。
某时刻线圈的ab边与导线相距2L。
已知线圈中通有电流。
求此时刻线圈所受的磁场力矩。
分析：
画俯视图如图3-3-7所示，先根据右手螺旋法则确定和的方向，再根据左手定则判断ab边受力和cd边受力的方向，然后求力矩。
解：
根据右手螺旋法则和左手定则确定和、和的方向，如图3-3-7所示。
，
对轴产生的力矩
对轴产生的力矩
两个力矩俯视都是逆时针同方向的，所以磁场对线圈产生的力矩
点评：
安培力最重要的应用就是磁场力矩。
这是电动机的原理，也是磁电式电流表的构造原理。
一方面要强调三维模型简化为二维平面模型，另一方面则要强调受力边的受力方向的正确判断，力臂的确定，力矩的计算。
本题综合运用多个知识点解决问题的能力层次是较高的，我们应努力摸索和积累这方面的经验。
§3。
4磁场对运动电荷的作用
3．4．1、洛伦兹力
载流导线所受的安培力，我们可看为是磁场作用给运动电荷即自由电子的力，经自由电子与导体晶格的碰撞而传递给导线的。
根据安培定律，而电流强度与运动电荷有关系，角既是电流元与B的夹角，也可视为带电粒子的速度与之间的夹角，长导线中有粒子数，则每个电子受到的力即洛伦兹力为
洛伦兹力总是与粒子速度垂直，因此洛伦兹力不作功，不能改变运动电荷速度的大小，只能改变速度的方向，使路径发生弯曲。
洛伦兹力的方向从图3-4-1可以看出，它一定与磁场（B）的方向垂直，也与粒子运动（）方向垂直，即与、B所在的平面垂直，具体方向可用左手定则判定。
但应注意，这里所说的粒子运动方向是指正电荷运动的方向，它恰与负电荷沿相反方向运动等效。
3．4．2、带电粒子在匀强磁场中的运动规律
带电粒子在匀强磁场中的运动规律与粒子的初始状态有关具体如下：
如果带电粒子原来静止，它即使在磁场中也不会受洛伦磁力的作用，因而保持静止。
如果带电粒子运动的方向恰与磁场方向在一条直线上，该粒子仍不受洛伦磁力的作用，粒子就以这个速度在磁场中做匀速直线运动。
带电粒子速度方向与磁场方向垂直，带电粒子在垂直于磁场方向的平面内以入射速度作匀速圆周运动。
带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动的四个基本公式。
（1）向心力公式：
（2）轨道半径公式：
（3）周期、频率和角频率公式，即：
，，
（4）动能公式：
如图3-4-2所示，在洛伦兹力作用下，一个作匀速圆周运动的粒子，不论沿顺时针方向运动还是沿逆时针方向运动，从A点到B点，均具有下述特点：
（1）轨道圆心（O）总是位于A、B两点洛伦兹力（f）的交点上或AB弦的中垂线与任一个f的交点上。
（2）粒子的速度偏向角等于回旋角，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）的两倍，即。
磁场中带电粒子运动的方向一般是任意的，但任何一个带电粒子运动的速度（）都可以在垂直于磁场方向和平行于磁场方向进行分解，得到和两个分速度。
根据运动的独立性可知，这样的带电粒子一方面以在磁场方向上作匀速运动，一方面又在垂直于磁场的方向上作速率为的匀速圆周运动。
实际上粒子作螺旋线运动（如图3-4-3），这种螺旋线运动的周期和螺距大小读者自己分析并不难解决。
其螺旋运动的周期，其运动规律：
螺旋运动回旋半径：
螺旋运动螺距：
3．4．3、霍尔效应
将一载流导体放在磁场中，由于洛伦兹力的作用，会使带电粒子（或别的载流子）发生横向偏转，在磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称为霍尔效应。
如图3-4-4所示，电流I在导体中流动，设导体横截面高h、宽为d匀强磁场方向垂直与导线前、后两表面向外，磁感强度为B，导体内自由电子密度为n，定向移动速度
由于洛伦兹力作用，自由电子向上表面聚集，下表面留下正离子，结果上下表面间形成电场，存在电势差U，这个电场对电子的作用力方向向下，大小为
当F与洛伦磁力f相平衡时，上、下表面电荷达到稳定，则有
如果导电的载流子是正电荷，则上表面聚集正电荷，下表面为负电势，电势差正、负也正好相反。
下面来分析霍尔电势差，求出霍尔系数。
在图3-4-5中，设大块导体的长和宽分别为L和d，单位体积自由电荷密度为n，电荷定向移动速率为，则电流。
假定形成电流的电荷是正电荷，其定向移动方向就是电流方向。
根据左手定则，正电荷向上积聚，下表面附近缺少正电荷则呈现负电荷积聚，上正下负电压为，正电荷受到跟磁场力反向的电场力的作用。
电场对正电荷向上的偏移积聚起阻碍作用，当最后达到平衡时，可得。
可见，理论推导的结果跟实验结果完全一致，系数。
既然k跟n有关，n表征电荷浓度，那么通过实验测定k值可以确定导体或半导体的电荷浓度n，半导体的n值比金属导体小得多，所以k值也大得多。
此外根据左手定则还可知，即使电流I就是图3-4-6中的流向，如果参与流动的是正电荷，那么电压就是上正下负；如果参与定向移动的是自由电子，那么电压就是上负下正了。
霍尔电势的高低跟半导体是p型的还是n型的有如此的关系：
上正下负的是p型半导体，定向载流子是带正电的空穴：
上负下正的是n型半导体，如果k值小得多就是金属导体，定向载流子是自由电子。
3．4．4、磁聚焦
运动电荷在磁场中的螺旋运动被应用于"磁聚焦技术"。
如图3-4-7，电子束经过a、b板上恒定电场加速后，进入c、d极板之间电场，c、d板上加交变电压，所以飞出c、d板后粒子速度方向不同，从A孔穿入螺线管磁场中，由于大小差不多，且与B夹角很小，则
由于速度分量不同，在磁场中它们将沿不同半径的螺旋线运动。
但由于它们速度分量近似相等，经过后又相聚于点，这与光束经透镜后聚焦的现象有些类似，所以叫做磁聚焦现象。
磁聚焦原理被广泛地应用于电真空器件如电子显微镜。
3．4．5、复合场中离子的运动
1．电场和磁场区域独立
磁场与电场不同，磁场中，洛伦磁力对运动电荷不做功，只改变带电粒子速度方向，所以在匀强磁场中带电粒子的运动主要表现为：
匀速圆周运动、螺旋运动、匀速直线运动。
而电场中，电荷受到电场力作用，电场力可能对电荷做功，因而改变速度大小和方向，但电场是保守场，电场力做功与运动路径无关。
处理独立的电场和磁场中运动电荷问题，是分开独立处理。
例：
如图3-3-8所示，在平面内，y＞O区域有匀强电场，方向沿-y方向，大小为E，y＜O区域有匀强磁场，方向垂直纸面向里，大小为B，一带电+q、质量为m的粒子从y轴上一点P由静止释放，要求粒子能经过x轴上Q点，Q坐标为（L，O），试求粒子最初释放点P的坐标。
分析：
解决上述问题关键是明确带电粒子的受力和运动特点。
从y轴上释放后，只受电场力加速做直线运动，从O点射入磁场，然后做匀速圆周运动，半圈后可能恰好击中Q点，也可能返回电场中，再减速、加速做直线运动，然后又返回磁场中，再经半圆有可能击中Q点，......。
那么击中Q点应满足的条件。
2．空间区域同时存在电场和磁场
（1）
（1）电场和磁场正交
如图3-4-9所示，空间存在着正交的电场和磁场区域，电场平行于纸面平面向下，大小为E，磁场垂直于纸面向内，磁感强度为B，一带电粒子以初速进入磁场，，，设粒子电量+q，则受力：
洛=方向向上，F电=qE方向向下。
若满足：
=qE
=E/B
则带电粒子将受平衡力作用做匀速直线运动，这是一个速度选择器模型。
若粒子进入正交电磁场速度，则可将分解为，粒子的运动可看成是与两个运动的合运动，因而粒子受到的洛伦兹力可看成是与的合力，而与电场力qE平衡，粒子在电场中所受合力为，结果粒子的运动是以的匀速直线运动和以速度所做匀速圆周运动的合运动。
例：
如图3-4-10正交电磁场中，质量m、带电量+q粒子由一点P静止释放，分析它的运动。
分析：
粒子初速为零释放，它的运动轨迹是如图3-4-10所示的周期性的曲线。
初速为零，亦可看成是向右的与向左-两个运动的合运动，其中大小为：
=E/B
所以+q粒子可看成是向右匀速直线运动和逆时针的匀速圆周运动的合运动。
电场方向上向下最大位移
一个周期向右移动距离L即PP之距为
代入，得：
最低点Q点速度
（2）
（2）电场和磁场平行
如图3-4-11所示的空间区域有相互平行的电场和磁场E、B一带电+q粒子以初速射入场区（或B）。
则带电粒子在磁场力作用下将做圆周运动，电场力作用下向上做加速运动，由于向上运动速度分量始终与B平行，故粒子受洛伦磁力大小恒为，结果粒子运动是垂直于E（或B）平面的半径R=m/qB的匀速圆周运动和沿E方向匀加速直线运动的合运动，即一个螺距逐渐增大的螺旋运动。
（3）（3）电场力、洛伦磁力都与方向垂直，粒子做匀速圆周运动。
例如电子绕原子核做匀速圆周运动，电子质量m，电量为e，现在垂直轨道平面方向加一匀强磁场，磁感强度大小为B，而电子轨道半径不变，已知电场力3倍与洛伦磁力，试确定电子的角速度。
在这里电子绕核旋转，电场力、洛伦磁力提供运动所需向心力，即
电+洛=
而f洛可能指向圆心，也可能沿半径向外的，因而可能是
或
典型例题
例1．在如图3-4-12所示的直角坐标系中，坐标原点O固定电量为Q的正点电荷，另有指向y轴正方向（竖直向上方向），磁感应强度大小为B的匀强磁场，因而另一个质量为m、电量力为q的正点电荷微粒恰好能以y轴上的点为圆心作匀速圆周运动，其轨道平面（水平面）与平面平行，角速度为，试求圆心的坐标值。
分析：
带电微粒作匀速圆周运动，可以确定在只有洛伦磁力和库仑力的情况下除非与O不重合，必须要考虑第三个力即重力。
只有这样，才能使三者的合力保证它绕在水平面内作匀速圆周运动。
解：
设带电微粒作匀速圆周运动半径为R，圆心的纵坐标为y，圆周上一点与坐标原点的连线和y轴夹角为，那么有
带电粒子受力如图3-4-13所示，列出动力学方程为
mg=F电cosθ
（1）
f洛-F电
（2）
f洛=（3）
将
（2）式变换得
f洛-F电（4）
将（3）代入（4），且
（1）÷（4）得
消去R得
例2．如图3-4-14所示，被1000V的电势差加速的电子从电子枪发射出来，沿直线方向运动，要求电子击中在方向、距离枪口5cm的靶M，对以下两种情形求出所用的均匀磁场的磁感应强度B．
（1）磁场垂直于由直线与点M所确定的平面。
（2）磁场平行于TM。
解：
（1）从几何考虑得出电子的圆轨道的半径为（如图3-4-15）
按能量守恒定律，电荷Q通过电势差U后的速度v为
即
作用在电荷Q上的洛伦磁力为
这个力等于向心力
故所需的磁感应强度为
用上面的半径和速度值，得到
由于，，所以B=0.0037T
（2）在磁场施加的力与速度垂直，所以均匀恒定磁场只改变电子速度的方向，不改变速度的大小。
我们把电子枪发射的电子速度分解成两个直线分量：
沿磁场B方向的和垂直磁场的，因为在磁场的方向上，磁场对它没有作用力（图3-4-16）。
电子经过d/时间后到达目标M。
由于磁场B和垂直的速度分量，电子在圆轨道上运动，由
得到圆半径为
电子在目标M的方向上也具有速度，结果是电子绕B方向作螺旋线运动。
电在在d/时间内，在绕了k圈后击中目标。
K是一个整数。
圆的周长为
由于绕圆周运动的速度是，故绕一周的时间是
这个值乘上整数k，应等于d/
因此，所需的磁感应强度为
k=1时，电子转一圈后击中目标：
k=2时，电子转两圈后击中目标，等等。
只要角度相同，磁场方向相反与否，无关紧要。
用给出的数据代入，得B=k×0.0067T
例3．一根边长为a、b、c（a＞＞b＞＞c）的矩形截面长棒，如图3-4-17所示，由半导体锑化铟制成，棒中有平行于a边的电流I通过，该棒放在垂直于c边向外的磁场B中，电流I所产生的磁场忽略不计。
该电流的载流子为电子，在只有电场存在时，电子在半导体中的平均速度，其中为迁移率。
（1）
（1）确定棒中所产生上述电流的总电场的大小和方向。
（2）
（2）计算夹c边的两表面上相对两点之间的电势差。
（3）（3）如果电流和
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