電流與磁場(chǎng)的相互作用

1、電流與磁場(chǎng)的相互作用第一頁(yè)，共40頁(yè)。洛侖茲(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928) 1895年，洛侖茲根據(jù)物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的假說(shuō)，創(chuàng)立了經(jīng)典電子論。洛侖茲的電磁場(chǎng)理論研究成果，在現(xiàn)代物理中占有重要地位。洛侖茲力是洛侖茲在研究電子在磁場(chǎng)中所受的力的實(shí)驗(yàn)中確立起來(lái)的。 洛侖茲還預(yù)言了正常的塞曼效益，即磁場(chǎng)中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場(chǎng)的影響而分裂成多條的現(xiàn)象中的某種特殊現(xiàn)象。 洛侖茲的理論是從經(jīng)典物理到相對(duì)論物理的重要橋梁，他的理論構(gòu)成了相對(duì)論的重要基礎(chǔ)。洛侖茲對(duì)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也有貢獻(xiàn)。荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，因研究磁場(chǎng)對(duì)輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物

2、理學(xué)獎(jiǎng)金。第二頁(yè)，共40頁(yè)。帶電粒子在磁場(chǎng)中受力第三頁(yè)，共40頁(yè)。2、速度方向與磁場(chǎng)方向垂直洛侖茲力的大小二、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1、速度方向與磁場(chǎng)方向平行帶電粒子受到的洛侖茲力為零，粒子作直線運(yùn)動(dòng)。磁力提供向心力。周期與速度無(wú)關(guān)R 勻速率圓周運(yùn)動(dòng)第四頁(yè)，共40頁(yè)。3、速度方向與磁場(chǎng)方向有夾角把速度分解成平行于磁場(chǎng)的分量與垂直于磁場(chǎng)的分量平行于磁場(chǎng)的方向： F/=0 ， 勻速直線運(yùn)動(dòng)垂直于磁場(chǎng)的方向： F=qvBsin，勻速圓周運(yùn)動(dòng) 粒子作螺旋線向前運(yùn)動(dòng)，軌跡是螺旋線?；匦霃交匦芷诼菥嗔Ｗ踊剞D(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離第五頁(yè)，共40頁(yè)。hB螺距d與v無(wú)關(guān)，只與v/成正比，若各粒子的v/相同，則其螺

3、距是相同的，每轉(zhuǎn) 一周粒子都相交于一點(diǎn)，利用這個(gè)原理，可實(shí)現(xiàn)磁聚焦。第六頁(yè)，共40頁(yè)。*電子的反粒子 電子偶正電子：1930年英國(guó)物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言了正電子的存在，1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森在分析宇宙射線穿過(guò)位于云霧室的鉛塊后的帶電粒子的照片時(shí)，發(fā)現(xiàn)了正電子。原理：在高能粒子物理中，常用帶電粒子在云霧室中的軌跡來(lái)觀察和區(qū)分粒子的性質(zhì)。電子偶：理論和實(shí)驗(yàn)都表明，正電子總是伴隨著電子一起出現(xiàn)的，猶如成對(duì)成雙的配偶，故稱之為電子正電子偶，簡(jiǎn)稱電子偶或電子對(duì)。第七頁(yè)，共40頁(yè)。*帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子進(jìn)入軸對(duì)稱會(huì)聚磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)的不均勻，洛侖茲力的大小要變化，所以不是勻速圓周

4、運(yùn)動(dòng)。且半徑逐漸變小。使沿磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)被抑，而被迫反轉(zhuǎn)。象被“反射”回來(lái)一樣磁鏡。* 應(yīng)用：磁約束用于受控?zé)岷朔磻?yīng)中第八頁(yè)，共40頁(yè)。地磁場(chǎng)，兩極強(qiáng)，中間弱，能夠捕獲來(lái)自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來(lái)回振蕩。1958年，探索者一號(hào)衛(wèi)星在外層空間發(fā)現(xiàn)被磁場(chǎng)俘獲的來(lái)自宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng)的質(zhì)子層和電子層Van Allen輻射帶第九頁(yè)，共40頁(yè)。三、帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)舉例1、電子比荷（e /m）的測(cè)定引言：電子的電量和質(zhì)量是電子基本屬性，對(duì)電子的電量、質(zhì)量和兩者的比值(即比荷)的測(cè)定有重要的意義。1897年J.J. Thomson在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室測(cè)量電子比荷，為此1906年獲Nobel物理獎(jiǎng)

5、。實(shí)驗(yàn)裝置原理加速電子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)y結(jié)論對(duì)于速度不太大的電子第十頁(yè)，共40頁(yè)。帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第十一頁(yè)，共40頁(yè)。2、質(zhì)譜儀引言：是用物理方法分析同位素的儀器，由英國(guó)物理學(xué)家與化學(xué)家阿斯頓于1919年創(chuàng)造，當(dāng)年發(fā)現(xiàn)了氯與汞的同位素，以后幾年又發(fā)現(xiàn)了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓于1922年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。原理圖速度選擇器+從離子源出來(lái)的離子經(jīng)過(guò)S1、S2加速進(jìn)入電場(chǎng)和磁場(chǎng)空間，若粒子帶正電荷+q，則電荷所受的力有：洛侖茲力：qvB電場(chǎng)力 ： qE若粒子能進(jìn)入下面的磁場(chǎng)qvB=qE速度選擇器第十二頁(yè)，共40頁(yè)。若每個(gè)離子所帶電量相等，由譜線的位置可以確定

6、同位素的質(zhì)量。由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對(duì)含量。質(zhì)譜分析：帶電粒子 經(jīng)過(guò)速度選擇器后，進(jìn)入磁場(chǎng)B中做圓周運(yùn)動(dòng)，半徑R為+鍺的質(zhì)譜第十三頁(yè)，共40頁(yè)。3、 回旋加速器美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于1934年研制成功第一臺(tái)加速器勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第十四頁(yè)，共40頁(yè)。結(jié)構(gòu)：密封在真空中的兩個(gè)金屬盒（D1和D2）放在電磁鐵兩極間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，兩盒間接有交流電源，它在縫隙里的交變電場(chǎng)用以加速帶電粒子。目的：用來(lái)獲得高能帶電粒子轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應(yīng)，研究原子核或其它粒子的性質(zhì)。原理：使帶電粒子在電場(chǎng)與磁場(chǎng)作用下，往復(fù)加速達(dá)到高能。第十五頁(yè)，共40頁(yè)。交變電場(chǎng)的周期恰好

7、為回旋周期時(shí)粒子繞過(guò)半圈恰好電場(chǎng)反向，粒子又被加速。因?yàn)榛匦芷谂c半徑無(wú)關(guān)，所以粒子可被反復(fù)加速，至用致偏電極將其引出?；匦l率當(dāng)粒子到達(dá)半圓邊緣時(shí)，粒子的速率為（ R0為最大半徑）粒子動(dòng)能理論增大電磁鐵的截面，可以增大粒子的能量實(shí)際比較困難第十六頁(yè)，共40頁(yè)。蘭州重離子加速器北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)合肥同步輻射加速器我國(guó)最大的三個(gè)加速器第十七頁(yè)，共40頁(yè)。 例題質(zhì)譜儀測(cè)粒子的荷質(zhì)比DU實(shí)驗(yàn)：加速電壓U，均勻磁場(chǎng)B，粒子垂直入射，進(jìn)口到膠片記錄位置間距為D，計(jì)算粒子的Q/m值。解：粒子進(jìn)質(zhì)譜儀時(shí)動(dòng)能進(jìn)磁場(chǎng)后做勻速率圓周運(yùn)動(dòng)，R第十八頁(yè)，共40頁(yè)。4、霍耳效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，如果

8、磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，則在與磁場(chǎng)和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳效應(yīng)。相應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍耳電壓?，F(xiàn)象實(shí)驗(yàn)規(guī)律在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍耳電壓與電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，而與導(dǎo)電板的厚度d 成反比I+_+- - - - -EBbddbuHI第十九頁(yè)，共40頁(yè)。+ + + I + + +I第二十頁(yè)，共40頁(yè)。假設(shè)載流子是負(fù)電荷，定向漂移速度為vd與電流反向，磁場(chǎng)中的洛侖茲力使載流子運(yùn)動(dòng)，形成霍耳電場(chǎng)。電場(chǎng)力與洛侖茲力平衡時(shí)電子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而形成橫向電勢(shì)差。霍耳效應(yīng)的經(jīng)典解釋I - - - - -=d霍耳系數(shù)第二十一頁(yè)，共40頁(yè)?；舳?yīng)的應(yīng)用半導(dǎo)體的載流子濃度小于金屬

9、電子的濃度，且容易受溫度、雜質(zhì)的影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導(dǎo)體的重要方法之一。判定載流子類型測(cè)量載流子濃度測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量電流測(cè)量溫度1980年，德國(guó)物理學(xué)家克利青在研究低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)UHB的曲線出現(xiàn)臺(tái)階，而不是線性關(guān)系量子霍耳效應(yīng)。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)。分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)與分?jǐn)?shù)電荷的存在與否有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)機(jī)械損耗，可以提高效率，缺點(diǎn)：尚存在技術(shù)問(wèn)題有待解決。第二十二頁(yè)，共40頁(yè)。Ibd- - - - - - V垂直于 的方向出現(xiàn)電勢(shì)差 霍耳效應(yīng) 霍耳電壓UHIBUH正效應(yīng)載流子是 空穴 P型半導(dǎo)體 UH負(fù)效應(yīng)載流子是電

10、子 n型半導(dǎo)體 第二十三頁(yè)，共40頁(yè)。*磁流體發(fā)電氣體在3000K高溫下將發(fā)生電離，成為正、負(fù)離子，將高溫等離子氣體以1000m/s的速度進(jìn)入均勻磁場(chǎng)B中+ + + 高溫等離子氣+I 正電荷聚集在上板，負(fù)電荷聚集在下板，因而可向外供電。第二十四頁(yè)，共40頁(yè)。磁場(chǎng)對(duì)電流的作用一、安培力I電流元一個(gè)電荷受力N個(gè)電荷受力第二十五頁(yè)，共40頁(yè)。 均勻磁場(chǎng)2、均勻磁場(chǎng)中的閉合線圈 F = 0I直導(dǎo)線任意導(dǎo)線I 長(zhǎng)度矢量說(shuō)明：1、3、若處處 （不一定均勻） F = 0第二十六頁(yè)，共40頁(yè)。2R長(zhǎng)度矢量解：方向 均勻磁場(chǎng)中放置一半徑為R的半圓形導(dǎo)線，電流強(qiáng)度為I，導(dǎo)線兩端連線與磁感強(qiáng)度方向夾角 ，求此段圓弧

11、電流受的磁力。例題第二十七頁(yè)，共40頁(yè)。二、電流的單位 平行電流間的相互作用1、平行載流直導(dǎo)線間的相互作用I1I2rB21B12 方向方向 同流向，相吸引；逆流向，相排斥。 方向方向 兩根平行長(zhǎng)直線，相距1m，兩導(dǎo)線上電流流向相同，大小相等，調(diào)節(jié)電流，使得兩導(dǎo)線每單位長(zhǎng)度上的吸引力為210-7N m-1，我們規(guī)定這個(gè)電流為1A。第二十八頁(yè)，共40頁(yè)。平行電流間的相互作用第二十九頁(yè)，共40頁(yè)。磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用一、磁場(chǎng)作用于載流線圈的磁力矩受力情況BF4F3F1F2l1l2MNOPI兩者大小相等，方向相反，且在同一直線上，故對(duì)于線圈來(lái)說(shuō)，它們合力矩為零。F1與F2形成一個(gè)力偶l1第三十頁(yè)，共40頁(yè)。線圈所受有磁力矩引入磁矩討論：q =p/2，線圈與磁場(chǎng)平行，磁通量F =0，力矩Mmax=ISBq =0， 垂直， F =BS，力矩M=0，平衡q =p， 垂直， F =-BS，力矩M=0，平衡第三十一頁(yè)，共40頁(yè)。例題2、證明轉(zhuǎn)動(dòng)帶電園盤的磁矩 。rdro解：第三十二頁(yè)，共40頁(yè)。二、磁電式電流計(jì)原理作用：測(cè)量電流原理：載流線圈在磁場(chǎng)中受磁力矩的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)：永久磁鐵的兩極圓柱體鐵心繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁制框架框架上繞有線圈轉(zhuǎn)軸的兩端各有一個(gè)旋絲一端上固定一針第三十三頁(yè)，共40頁(yè)。第三十四頁(yè)，共40頁(yè)。磁力的功磁力對(duì)運(yùn)動(dòng)載流導(dǎo)線作的功ab