大學(xué)物理磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷及電流的作用

10.4.1

磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)對(duì)載流線圈的作用.10.4.2帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用)運(yùn)動(dòng)電荷在電磁場(chǎng)中受到的電磁力為:電場(chǎng)力洛侖茲力洛倫茲公式洛倫茲力只能改變電荷運(yùn)動(dòng)方向，不會(huì)對(duì)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(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年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。10.4.2帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1.帶電粒子垂直進(jìn)入均勻磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)+q,mR與電荷運(yùn)動(dòng)快慢無(wú)關(guān)與速度大小成正比。帶電粒子在磁場(chǎng)中做螺旋線運(yùn)動(dòng)2.帶電粒子不是垂直進(jìn)入均勻磁場(chǎng)中螺距：磁聚焦在電子光學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用：hB螺距h與v⊥無(wú)關(guān)，只與v//

成正比，v//

相同的粒子，其螺距是相同，從磁場(chǎng)一點(diǎn)發(fā)出的電荷經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的時(shí)間后必然相交于一點(diǎn)，利用這個(gè)原理，可實(shí)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(guò)300萬(wàn)倍，而光學(xué)顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍，所以通過(guò)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(diǎn)陣。一個(gè)帶電粒子進(jìn)入軸對(duì)稱(chēng)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。這稱(chēng)之為磁鏡。用于受控?zé)岷朔磻?yīng)中等離子體的溫度達(dá)2、磁約束

等離子態(tài)常被稱(chēng)為“超氣態(tài)”，它和氣體有很多相似之處，比如：沒(méi)有確定形狀和體積，具有流動(dòng)性，但等離子也有很多獨(dú)特的性質(zhì)。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，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(chǎng)用以加速帶電粒子。目的：用來(lái)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(chǎng)與磁場(chǎng)作用下，得以往復(fù)加速達(dá)到高能。10.4.4回旋加速器我國(guó)第一臺(tái)回旋加速器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)加速器雷電

極光

極光的形成和太陽(yáng)活動(dòng)、地磁場(chǎng)與高空大氣都有密切關(guān)系。由于太陽(yáng)的激烈活動(dòng)，放射出無(wú)數(shù)的帶電微粒，當(dāng)帶電微粒流射向地球進(jìn)入地球磁場(chǎng)的作用范圍時(shí)，受后者的影響，便沿著地球磁力線高速進(jìn)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(diǎn)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(dǎo)電薄片，沿x軸通有電流強(qiáng)度I，當(dāng)在y軸方向加以勻強(qiáng)磁場(chǎng)B時(shí)，在導(dǎo)電薄片兩側(cè)產(chǎn)生一電位差，這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)2、霍耳效應(yīng)機(jī)理設(shè)導(dǎo)電薄片的載流子（參與導(dǎo)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?yàn)橛凶饔?，?cè)堆積正電荷，側(cè)出現(xiàn)負(fù)電荷與電流方向同向。所以產(chǎn)生的電場(chǎng)指向?qū)的作用力:穩(wěn)定的電勢(shì)差:兩側(cè)V++++++++當(dāng)導(dǎo)體上下兩個(gè)側(cè)面的電勢(shì)差穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部載流子所受電磁力平衡，由此得:

稱(chēng)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(shí)，>0,(2)q<0時(shí)，<0,1）.測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度；2）根據(jù)霍耳電壓的正負(fù)可以確定半導(dǎo)體的類(lèi)型；3）測(cè)導(dǎo)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(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，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(fù)電荷聚集在下板，因而可向外供電。10.4.2磁場(chǎng)對(duì)電流的作用設(shè)：電流元中載流子電量為即電流元在磁場(chǎng)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(dǎo)線受到的磁力：磁場(chǎng)對(duì)電流元的作用：安培力1、長(zhǎng)為的載流直導(dǎo)線B×取電流元受力大小方向積分結(jié)論：方向：均勻磁場(chǎng)中載流導(dǎo)線所受安培力討論習(xí)題1.有一半徑為R的半圓形導(dǎo)線，通有電流I,它處于一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)之中。求：所受安培力.×××××××××××××××××××××××××××BdFyxoRIθθddlIθ解：根據(jù)載流導(dǎo)線的對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)：dl=Rdθ()×××××××××××××××××××××××××××BdFyxoRIθθddlIθ例2.平面內(nèi)任意形狀的通電導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)中所受的作用力。解：取一段電流元建坐標(biāo)系取分量由通電導(dǎo)線始末位置間的距離決定。在均勻磁場(chǎng)中任意形狀閉合載流線圈受合磁場(chǎng)力為零。一段平面通電導(dǎo)線在均勻的磁場(chǎng)中所受力只與導(dǎo)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)有關(guān)，與導(dǎo)線形狀無(wú)關(guān)。推論結(jié)論非均勻磁場(chǎng)

中載流導(dǎo)線所受安培力b如圖：求導(dǎo)線ab所受安培力已知：直導(dǎo)線ab垂直于長(zhǎng)直導(dǎo)線解：如圖取微元dx豎直向上I2dxdfxLdaxy例3.無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線與一塊無(wú)限長(zhǎng)薄導(dǎo)體板構(gòu)成閉合回路，求兩者之間單位長(zhǎng)度所受到的力薄導(dǎo)體板電流密度導(dǎo)電線在x處的磁場(chǎng)任取板上電流元?jiǎng)t該電流元受到的力為導(dǎo)體板dy段上所受的力為單位長(zhǎng)度上所受的力為（彼此平行）解：例4：長(zhǎng)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(zhǎng)直通電導(dǎo)線，所通電流分別為和，相距為，計(jì)算單位長(zhǎng)度通電導(dǎo)線所受安培力。解：a導(dǎo)線1、2單位長(zhǎng)度上上所受的磁力為：兩無(wú)限長(zhǎng)平行通電導(dǎo)線I=fddlπa12μ2I0

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

電流

“安培”的定義：N.A-2

四、磁場(chǎng)對(duì)平面載流線圈的作用1.磁場(chǎng)對(duì)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(qiáng)磁場(chǎng)中的任意通電平面線圈。說(shuō)明：2.磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(wèn)：（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(shí)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(shí)線圈所受力矩為：大?。阂凰芰媳A盤(pán),半徑為R,電荷q均勻分布于表面,圓盤(pán)繞通過(guò)盤(pán)心垂直面的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),角速度習(xí)題：求2)圓盤(pán)的磁矩;3)若此圓盤(pán)處在水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,1)圓盤(pán)中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度;求該圓盤(pán)所受的磁力矩.q其中在O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度(方向垂直盤(pán)面向外