大學(xué)物理八章4

§8-5帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)+一、洛侖茲力說(shuō)明：1、洛侖茲力F的方向垂直于v和B所確定的平面。2、洛侖茲力F不能改變帶電粒子速度v的大小，只能改變其運(yùn)動(dòng)方向。二、帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)三、帶電粒子在不均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)粒子沿磁場(chǎng)增大方向速度減小，垂直磁場(chǎng)方向速度增加。電動(dòng)力學(xué)證明：若磁場(chǎng)變化不劇烈，做螺旋運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，其磁矩大小不變變大R變小變小帶電粒子在不均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)磁鏡磁約束托卡馬克裝置原理示意圖托卡馬克裝置剖面結(jié)構(gòu)和工作時(shí)內(nèi)部狀態(tài)（上）示意圖托卡馬克裝置環(huán)型容器內(nèi)部實(shí)景非均勻磁場(chǎng)的應(yīng)用：范?艾倫（VanAllen）輻射帶包圍地球外圍的范艾侖輻射帶1958年人造衛(wèi)星的探測(cè)發(fā)現(xiàn),,范艾侖輻射帶有兩層,內(nèi)層在距地面800-4000Km處,外層在60000Km處。....................+-AA’K+dL..................................................................................................四、帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用1、速度選擇器速度選擇器2、回旋加速器1932年勞倫斯研制第一臺(tái)回旋加速器的D型室.此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).回旋加速器原理圖NSBO~N真空室接高頻電源

離子源D型盒引出離子束

回旋加速器一般用來(lái)加速質(zhì)量較大的帶電粒子。下圖為世界最大的回旋加速器內(nèi)部情況。我國(guó)于1994年建成的第一臺(tái)強(qiáng)流質(zhì)子加速器，可產(chǎn)生數(shù)十種中短壽命放射性同位素.3、質(zhì)譜儀7072737476鍺的質(zhì)譜...................................................................+-速度選擇器照相底片質(zhì)譜儀的示意圖4.霍耳（E.C.Hall)效應(yīng)霍耳霍耳效應(yīng)bd

1879年，霍耳（E.H.Hall）發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中時(shí)，如果磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，則在與磁場(chǎng)和電流兩者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢(shì)差。這一現(xiàn)象稱(chēng)為“霍耳效應(yīng)”，這電勢(shì)差稱(chēng)為“霍耳電勢(shì)差”。+++++++++++++++-------------------

V1V2II（RH稱(chēng)為霍耳系數(shù)）xyzdbII+++++++++++++----------------

V1V2

U-v動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：令：RH=稱(chēng)為“霍耳系數(shù)”

霍耳系數(shù)RH與電荷密度n成反比。在金屬中，由于電荷密度很大，因此霍耳系數(shù)很小，相應(yīng)霍耳效應(yīng)也很弱。而在一般半導(dǎo)體中，電荷密度n較小，因此霍耳效應(yīng)也較明顯。------------------++++++++++++++++

V1V2II+++++++++++++++-------------------

V1V2II1、判斷下列半導(dǎo)體類(lèi)型P型半導(dǎo)體（定向運(yùn)動(dòng)的電荷為正電荷）N型半導(dǎo)體（定向運(yùn)動(dòng)的電荷為負(fù)電荷）霍耳效應(yīng)的應(yīng)用+2、測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度3、測(cè)n4、磁流體發(fā)電+++++++++++++++-------------------

V1V2U+-等離子體理論曲線(xiàn)

量子霍耳效應(yīng)B崔琦、施特默：更強(qiáng)磁場(chǎng)下

克里青：半導(dǎo)體在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)m=1、2、3、…

1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)

1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)量子霍爾效應(yīng)能解決電子碰撞發(fā)熱的問(wèn)題，因而在未來(lái)的量子計(jì)算、量子信息存儲(chǔ)方面具有巨大的應(yīng)用潛力，據(jù)此設(shè)計(jì)新一代大規(guī)模集成電路和元器件，將會(huì)具有極低的能耗。反?；魻栃?yīng)1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場(chǎng)也可以觀(guān)測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反?；魻栃?yīng)。2013年3月16日凌晨，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng)，在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷??！狈闯；魻栯妼?dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類(lèi)新的重要物理效應(yīng)。量子反?；魻栃?yīng)在發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)133年后，首次實(shí)現(xiàn)的反常霍爾效應(yīng)的量子化，也因此被視作“世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)”?！?-6磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線(xiàn)的作用演示實(shí)驗(yàn)：在兩根平行金屬道軌上放一導(dǎo)體棒，導(dǎo)體棒位于馬蹄形磁鐵之間；而在軌道的兩端接一電源與導(dǎo)體棒構(gòu)成回路。當(dāng)合上電源開(kāi)關(guān)后……。SNISI一、安培定律設(shè)：離子數(shù)密度n電流元截面積S電流元中的電子數(shù)nSdl作用在電流元上的作用力：洛侖茲力：-（導(dǎo)體）安培力：

磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力安培定律：對(duì)電流元Idl在磁場(chǎng)B中所受的作用力為磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)線(xiàn)的作用力：電流強(qiáng)度：SI-二、載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力磁場(chǎng)外加磁場(chǎng)自身磁場(chǎng)1.自身磁場(chǎng)a、直導(dǎo)線(xiàn)b、線(xiàn)圈IF2.外加磁場(chǎng)由安培定則a、載流直導(dǎo)線(xiàn)例1、計(jì)算長(zhǎng)為L(zhǎng)的載流直導(dǎo)線(xiàn)在均勻磁場(chǎng)B中所受的力。解：I由安培定律：方向：方向：IrxI1I2例2、無(wú)限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線(xiàn)通有電流I1，在同一平面內(nèi)有長(zhǎng)為L(zhǎng)的載流直導(dǎo)線(xiàn)，通有電流I2。（如圖所示）求：長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)所受的磁場(chǎng)力。dxxl解：dl由安培定律：ABCo根據(jù)對(duì)稱(chēng)性分析解例1

如圖一通有電流的導(dǎo)線(xiàn)放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為的均勻磁場(chǎng)中，導(dǎo)線(xiàn)平面與磁感強(qiáng)度垂直.圓弧導(dǎo)線(xiàn)BCA半徑為，電流為順時(shí)針?lè)较?求磁場(chǎng)作用于導(dǎo)線(xiàn)的力.ACoB因Iabb、任意一段載流導(dǎo)線(xiàn)結(jié)論：彎曲導(dǎo)線(xiàn)所受磁力等效于通有相同電流的從起點(diǎn)到末點(diǎn)的直導(dǎo)線(xiàn)所受到的力I例1例2、半徑為R的銅絲環(huán)，載有電流I?，F(xiàn)把圓環(huán)放在均勻磁場(chǎng)中，環(huán)平面與磁場(chǎng)垂直。求（1）圓環(huán)受到的合力。（2）銅絲內(nèi)部的張力。解：（1）Ioxy

ddldFxdFy由安培定律：結(jié)論：勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)閉合載流導(dǎo)線(xiàn)的作用合力為零Ioxy

ddldFxdFy（2）銅絲內(nèi)部的張力。Il1結(jié)論：IIIIbl2acdc、載流線(xiàn)圈線(xiàn)圈所受合力為零l1IIIIbnl2acd磁力矩：l1其中S=l1l2為線(xiàn)圈平面的面積注：上式雖是從矩形閉合載流線(xiàn)圈推出，但適合于任意形狀的閉合載流線(xiàn)圈。N匝線(xiàn)圈的磁力矩：l1IIIIbnl2acd線(xiàn)圈的磁矩：載流線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受到的磁力矩：討論：（1）=0時(shí)，M=0。（2）=90時(shí)，M=Mmax=NBIS（3）=180時(shí)，M=0IS例2如圖半徑為0.20m，電流為20A的圓形載流線(xiàn)圈（o-xy面內(nèi)）放在均勻磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.08T，方向沿x軸正向.線(xiàn)圈所受的磁力矩又為多少？IRQJKPo以為軸，所受磁力矩大小法一法二二磁電式電流計(jì)原理實(shí)驗(yàn)測(cè)定

游絲的反抗力矩與線(xiàn)圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度成