電流與磁場的相互作用

1、電流與磁場的相互作用第一頁，共40頁。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，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(yù)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(xué)也有貢獻。荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)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

2、理學(xué)獎金。第二頁，共40頁。帶電粒子在磁場中受力第三頁，共40頁。2、速度方向與磁場方向垂直洛侖茲力的大小二、帶電粒子在磁場中的運動1、速度方向與磁場方向平行帶電粒子受到的洛侖茲力為零，粒子作直線運動。磁力提供向心力。周期與速度無關(guān)R 勻速率圓周運動第四頁，共40頁。3、速度方向與磁場方向有夾角把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量平行于磁場的方向： F/=0 ， 勻速直線運動垂直于磁場的方向： F=qvBsin，勻速圓周運動 粒子作螺旋線向前運動，軌跡是螺旋線。回旋半徑回旋周期螺距粒子回轉(zhuǎn)一周所前進的距離第五頁，共40頁。hB螺距d與v無關(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，利用這個原理，可實現(xiàn)磁聚焦。第六頁，共40頁。*電子的反粒子 電子偶正電子：1930年英國物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言了正電子的存在，1932年，美國物理學(xué)家安德森在分析宇宙射線穿過位于云霧室的鉛塊后的帶電粒子的照片時，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觀察和區(qū)分粒子的性質(zhì)。電子偶：理論和實驗都表明，正電子總是伴隨著電子一起出現(xiàn)的，猶如成對成雙的配偶，故稱之為電子正電子偶，簡稱電子偶或電子對。第七頁，共40頁。*帶電粒子在非均勻磁場中的運動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

4、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”回來一樣磁鏡。* 應(yīng)用：磁約束用于受控?zé)岷朔磻?yīng)中第八頁，共40頁。地磁場，兩極強，中間弱，能夠捕獲來自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來回振蕩。1958年，探索者一號衛(wèi)星在外層空間發(fā)現(xiàn)被磁場俘獲的來自宇宙射線和太陽風(fēng)的質(zhì)子層和電子層Van Allen輻射帶第九頁，共40頁。三、帶電粒子在電場和磁場中的運動舉例1、電子比荷（e /m）的測定引言：電子的電量和質(zhì)量是電子基本屬性，對電子的電量、質(zhì)量和兩者的比值(即比荷)的測定有重要的意義。1897年J.J. Thomson在卡文迪許實驗室測量電子比荷，為此1906年獲Nobel物理獎

5、。實驗裝置原理加速電子經(jīng)過電場與磁場區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)y結(jié)論對于速度不太大的電子第十頁，共40頁。帶電粒子在磁場中的運動第十一頁，共40頁。2、質(zhì)譜儀引言：是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學(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。原理圖速度選擇器+從離子源出來的離子經(jīng)過S1、S2加速進入電場和磁場空間，若粒子帶正電荷+q，則電荷所受的力有：洛侖茲力：qvB電場力 ： qE若粒子能進入下面的磁場qvB=qE速度選擇器第十二頁，共40頁。若每個離子所帶電量相等，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含量。質(zhì)譜分析：帶電粒子 經(jīng)過速度選擇器后，進入磁場B中做圓周運動，半徑R為+鍺的質(zhì)譜第十三頁，共40頁。3、 回旋加速器美國物理學(xué)家勞倫斯于1934年研制成功第一臺加速器勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎。第十四頁，共40頁。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，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：使帶電粒子在電場與磁場作用下，往復(fù)加速達到高能。第十五頁，共40頁。交變電場的周期恰好

7、為回旋周期時粒子繞過半圈恰好電場反向，粒子又被加速。因為回旋周期與半徑無關(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)粒子到達半圓邊緣時，粒子的速率為（ R0為最大半徑）粒子動能理論增大電磁鐵的截面，可以增大粒子的能量實際比較困難第十六頁，共40頁。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第十七頁，共40頁。 例題質(zhì)譜儀測粒子的荷質(zhì)比DU實驗：加速電壓U，均勻磁場B，粒子垂直入射，進口到膠片記錄位置間距為D，計算粒子的Q/m值。解：粒子進質(zhì)譜儀時動能進磁場后做勻速率圓周運動，R第十八頁，共40頁。4、霍耳效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體放在磁場中，如果

8、磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳效應(yīng)。相應(yīng)的電勢差稱為霍耳電壓。現(xiàn)象實驗規(guī)律在磁場不太強時，霍耳電壓與電流I和磁感應(yīng)強度B成正比，而與導(dǎo)電板的厚度d 成反比I+_+- - - - -EBbddbuHI第十九頁，共40頁。+ + + I + + +I第二十頁，共40頁。假設(shè)載流子是負電荷，定向漂移速度為vd與電流反向，磁場中的洛侖茲力使載流子運動，形成霍耳電場。電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移達到動態(tài)平衡，從而形成橫向電勢差。霍耳效應(yīng)的經(jīng)典解釋I - - - - -=d霍耳系數(shù)第二十一頁，共40頁?；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。判定載流子類型測量載流子濃度測量磁感應(yīng)強度測量電流測量溫度1980年，德國物理學(xué)家克利青在研究低溫和強磁場下半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)UHB的曲線出現(xiàn)臺階，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。后來又發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍耳效應(yīng)。分數(shù)量子霍耳效應(yīng)與分數(shù)電荷的存在與否有關(guān)。優(yōu)點：無機械損耗，可以提高效率，缺點：尚存在技術(shù)問題有待解決。第二十二頁，共40頁。Ibd- - - - - - V垂直于 的方向出現(xiàn)電勢差 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負效應(yīng)載流子是電

10、子 n型半導(dǎo)體 第二十三頁，共40頁。*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+ + + 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。第二十四頁，共40頁。磁場對電流的作用一、安培力I電流元一個電荷受力N個電荷受力第二十五頁，共40頁。 均勻磁場2、均勻磁場中的閉合線圈 F = 0I直導(dǎo)線任意導(dǎo)線I 長度矢量說明：1、3、若處處 （不一定均勻） F = 0第二十六頁，共40頁。2R長度矢量解：方向 均勻磁場中放置一半徑為R的半圓形導(dǎo)線，電流強度為I，導(dǎo)線兩端連線與磁感強度方向夾角 ，求此段圓弧

11、電流受的磁力。例題第二十七頁，共40頁。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)線每單位長度上的吸引力為210-7N m-1，我們規(guī)定這個電流為1A。第二十八頁，共40頁。平行電流間的相互作用第二十九頁，共40頁。磁場對載流線圈的作用一、磁場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，故對于線圈來說，它們合力矩為零。F1與F2形成一個力偶l1第三十頁，共40頁。線圈所受有磁力矩引入磁矩討論：q =p/2，線圈與磁場平行，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，共40頁。例題2、證明轉(zhuǎn)動帶電園盤的磁矩 。rdro解：第三十二頁，共40頁。二、磁電式電流計原理作用：測量電流原理：載流線圈在磁場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)動的鋁制框架框架上繞有線圈轉(zhuǎn)軸的兩端各有一個旋絲一端上固定一針第三十三頁，共40頁。第三十四頁，共40頁。磁力的功磁力對運動載流導(dǎo)線作的功ab