大學物理磁場對運動電荷及電流的作用

10.4.1

磁場對運動電荷及電流的作用主要內(nèi)容10.4.1洛倫茲力

10.4.7電流單位“安培”的定義10.4.8磁場對載流線圈的作用.10.4.2帶電粒子在磁場中的運動10.4.3磁聚焦磁約束10.4.6安培定律

10.4.4回旋加速器10.4.5霍爾效應(yīng)10.4.1、洛侖茲力(磁場對運動電荷的作用)運動電荷在電磁場中受到的電磁力為:電場力洛侖茲力洛倫茲公式洛倫茲力只能改變電荷運動方向，不會對電荷做功。洛侖茲(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)1895年，洛侖茲根據(jù)物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的假說，創(chuàng)立了經(jīng)典電子論。洛侖茲的電磁場理論研究成果，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中所受的力的實驗中確立起來的。洛侖茲還預言了正常的塞曼效益，即磁場中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場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)典物理到相對論物理的重要橋梁，他的理論構(gòu)成了相對論的重要基礎(chǔ)。洛侖茲對統(tǒng)計物理學也有貢獻。荷蘭物理學家、數(shù)學家，因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學獎金。10.4.2帶電粒子在磁場中的運動1.帶電粒子垂直進入均勻磁場中做勻速圓周運動+q,mR與電荷運動快慢無關(guān)與速度大小成正比。帶電粒子在磁場中做螺旋線運動2.帶電粒子不是垂直進入均勻磁場中螺距：磁聚焦在電子光學中有著廣泛的應(yīng)用：hB螺距h與v⊥無關(guān)，只與v//

成正比，v//

相同的粒子，其螺距是相同，從磁場一點發(fā)出的電荷經(jīng)過一個周期的時間后必然相交于一點，利用這個原理，可實現(xiàn)磁聚焦。1.磁聚焦磁透鏡現(xiàn)在電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍，而光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍，所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。一個帶電粒子進入軸對稱會聚磁場，由于磁場的不均勻，洛侖茲力的大小要變化，所以不是勻速圓周運動。且半徑逐漸變小。使沿磁場的運動被抑，而被迫反轉(zhuǎn)。象被“反射”回來一樣。這稱之為磁鏡。用于受控熱核反應(yīng)中等離子體的溫度達2、磁約束

等離子態(tài)常被稱為“超氣態(tài)”，它和氣體有很多相似之處，比如：沒有確定形狀和體積，具有流動性，但等離子也有很多獨特的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)：密封在真空中的兩個金屬盒（D1和D2）放在電磁鐵兩極間的強大磁場中，如圖所示兩盒之間有一窄縫，中心附近放有離子源。兩盒間接有交流電源，它在縫隙里的交變電場用以加速帶電粒子。目的：用來獲得高能帶電粒子，去轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應(yīng)，從而研究原子核或其它粒子的性質(zhì)；也可以得到有用的射線。原理：使帶電粒子在電場與磁場作用下，得以往復加速達到高能。10.4.4回旋加速器我國第一臺回旋加速器蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器雷電

極光

極光的形成和太陽活動、地磁場與高空大氣都有密切關(guān)系。由于太陽的激烈活動，放射出無數(shù)的帶電微粒，當帶電微粒流射向地球進入地球磁場的作用范圍時，受后者的影響，便沿著地球磁力線高速進入到南北磁極附近的高層大氣中，與氧原子、氮分子等質(zhì)點碰撞，使它們激發(fā)，由此產(chǎn)生極光。1、霍耳效應(yīng)概念厚度b,寬為導電薄片，沿x軸通有電流強度I，當在y軸方向加以勻強磁場B時，在導電薄片兩側(cè)產(chǎn)生一電位差，這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)2、霍耳效應(yīng)機理設(shè)導電薄片的載流子（參與導電的帶電粒子）電量為q,q受力為：方向：沿Z軸正向大?。?1)如果q>0,其定向速度++++++++++++因為有作用，側(cè)堆積正電荷，側(cè)出現(xiàn)負電荷與電流方向同向。所以產(chǎn)生的電場指向?qū)的作用力:穩(wěn)定的電勢差:兩側(cè)V++++++++當導體上下兩個側(cè)面的電勢差穩(wěn)定時，導體內(nèi)部載流子所受電磁力平衡，由此得:

稱為霍耳系數(shù)，它是和材料的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)(2)如果q<0,其定向速度與電流方向反向。Vv+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++3、霍耳效應(yīng)的應(yīng)用總結(jié)(1)q>0時，>0,(2)q<0時，<0,1）.測磁感應(yīng)強度；2）根據(jù)霍耳電壓的正負可以確定半導體的類型；3）測導體中的載流子密度。磁流體發(fā)電氣體在3000K高溫下將發(fā)生電離，成為正、負離子，將高溫等離子氣體以1000m/s的速度進入均勻磁場B中，根據(jù)洛侖茲力公式+++–––高溫等離子氣+–+－I正電荷聚集在上板，負電荷聚集在下板，因而可向外供電。10.4.2磁場對電流的作用設(shè)：電流元中載流子電量為即電流元在磁場中受到的磁力為：一、安培定律載流子漂移速度為由分析可得：由洛倫茲力公式可得：安培力大小方向判斷右手螺旋載流導線受到的磁力：磁場對電流元的作用：安培力1、長為的載流直導線B×取電流元受力大小方向積分結(jié)論：方向：均勻磁場中載流導線所受安培力討論習題1.有一半徑為R的半圓形導線，通有電流I,它處于一磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場之中。求：所受安培力.×××××××××××××××××××××××××××BdFyxoRIθθddlIθ解：根據(jù)載流導線的對稱性特點：dl=Rdθ()×××××××××××××××××××××××××××BdFyxoRIθθddlIθ例2.平面內(nèi)任意形狀的通電導線在均勻磁場中所受的作用力。解：取一段電流元建坐標系取分量由通電導線始末位置間的距離決定。在均勻磁場中任意形狀閉合載流線圈受合磁場力為零。一段平面通電導線在均勻的磁場中所受力只與導線的起點和終點有關(guān)，與導線形狀無關(guān)。推論結(jié)論非均勻磁場

中載流導線所受安培力b如圖：求導線ab所受安培力已知：直導線ab垂直于長直導線解：如圖取微元dx豎直向上I2dxdfxLdaxy例3.無限長直導線與一塊無限長薄導體板構(gòu)成閉合回路，求兩者之間單位長度所受到的力薄導體板電流密度導電線在x處的磁場任取板上電流元則該電流元受到的力為導體板dy段上所受的力為單位長度上所受的力為（彼此平行）解：例4：長直電流I1附近有一等腰直角三角形線框，通以電流I2，二者共面。求各邊所受的磁力。解:dadadFa例4.兩條平行長直通電導線，所通電流分別為和，相距為，計算單位長度通電導線所受安培力。解：a導線1、2單位長度上上所受的磁力為：兩無限長平行通電導線I=fddlπa12μ2I0

由上面得到單位長度導線的作用力為：在真空相距1米的兩無限長彼此平行的直導線,通有相同的電流，若每米導線上的相互作用力等于2×10-7N則導線上的電流定義為1安培。

電流

“安培”的定義：N.A-2

四、磁場對平面載流線圈的作用1.磁場對矩形平面載流線圈作用的磁力：1lIθ2l和在同一平面內(nèi)且在一條直線上，是平衡力。該公式適用于勻強磁場中的任意通電平面線圈。說明：2.磁場對矩形平面載流線圈作用的磁力矩θd1lθ.例題5.一半徑為R的半圓形閉合線圈，通有電流I，線圈放在均勻外磁場B中，B的方向與線圈平面成300角，如右圖，設(shè)線圈有N匝，問：（1）線圈的磁矩是多少？解：（1）線圈的磁矩Pm的方向與B成600夾角.（2）此時線圈所受力矩的大小和方向？磁力矩M的方向由確定，向上。（2）此時線圈所受力矩為：大?。阂凰芰媳A盤,半徑為R,電荷q均勻分布于表面,圓盤繞通過盤心垂直面的軸勻速轉(zhuǎn)動,角速度習題：求2)圓盤的磁矩;3)若此圓盤處在水平向右的勻強磁場中,1)圓盤中心處的磁感應(yīng)強度;求該圓盤所受的磁力矩.q其中在O處的磁感應(yīng)強度(方向垂直盤面向外