電流與磁場的相互作用優秀PPT.ppt

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1、電流與磁場的相互作用現在學習的是第1頁，共40頁洛侖茲洛侖茲(Hendrik Antoon Lorentz,1853-1928)1895年，洛侖茲根據物質電結構的假說，創立年，洛侖茲根據物質電結構的假說，創立了了經典電子論經典電子論。洛侖茲的電磁場理論研究成果，。洛侖茲的電磁場理論研究成果，在現代物理中占有重要地位。洛侖茲力是洛侖茲在現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在研究電子在磁場中所受的力的實驗中確立起來的。的。洛侖茲還預言了洛侖茲還預言了正常的塞曼效益正常的塞曼效益，即磁場，即磁場中的光源所發出的各譜線，受磁場的影響而分中的光源所發出的各譜

2、線，受磁場的影響而分裂成多條的現象中的某種特殊現象。裂成多條的現象中的某種特殊現象。洛侖茲的理論是從經典物理到相對論物理的洛侖茲的理論是從經典物理到相對論物理的重要橋梁，他的理論構成了相對論的重要基礎。重要橋梁，他的理論構成了相對論的重要基礎。洛侖茲對洛侖茲對統計物理學統計物理學也有貢獻。也有貢獻。荷蘭物理學家、數學荷蘭物理學家、數學家，因研究磁場對輻家，因研究磁場對輻射現象的影響取得重射現象的影響取得重要成果，與塞曼共獲要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學年諾貝爾物理學獎金。獎金?，F在學習的是第2頁，共40頁帶電粒子在磁場中受力帶電粒子在磁場中受力現在學習的是第3頁，共40頁2、速度方向

3、與磁場方向垂直、速度方向與磁場方向垂直洛侖茲力的大小洛侖茲力的大小二、帶電粒子在磁場中的運動二、帶電粒子在磁場中的運動1、速度方向與磁場方向平行、速度方向與磁場方向平行帶電粒子受到的洛侖茲力為零，帶電粒子受到的洛侖茲力為零，粒子作直線運動。粒子作直線運動。磁力提供向心力磁力提供向心力。周期與速度無關周期與速度無關R R 勻速率圓勻速率圓周運動周運動現在學習的是第4頁，共40頁3、速度方向與磁場方向有夾角、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把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量與垂直于磁場的分量平行于磁場的方向：平行于磁場的方向：F/=0，勻速直線運動勻速直線運動垂直于

4、磁場的方向：垂直于磁場的方向：F=qvBsin，勻速圓周運動，勻速圓周運動 粒子作螺旋線向前運動，軌跡是螺旋線。粒子作螺旋線向前運動，軌跡是螺旋線?；匦霃交匦霃交匦芷诨匦芷诼菥嗦菥嗔Ｗ踊剞D一周所前進粒子回轉一周所前進的距離的距離現在學習的是第5頁，共40頁hB 螺距螺距d與與v無關，只與無關，只與v/成正比，若各粒成正比，若各粒子的子的v/相同，則其螺距是相同的，每轉相同，則其螺距是相同的，每轉 一周一周粒子都相交于一點，利用這個原理，可實現粒子都相交于一點，利用這個原理，可實現磁磁聚焦聚焦?，F在學習的是第6頁，共40頁*電子的反粒子電子的反粒子 電子偶電子偶正電子：正電子：1930年

5、英國物理學家狄拉克從年英國物理學家狄拉克從理論上預言了正電子的存在，理論上預言了正電子的存在，1932年，美年，美國物理學家安德森在分析宇宙射線穿過位于國物理學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，發現云霧室的鉛塊后的帶電粒子的照片時，發現了正電子。了正電子。原理：原理：在高能粒子物理中，常用帶電在高能粒子物理中，常用帶電粒子在云霧室中的軌跡來觀察和區分粒子在云霧室中的軌跡來觀察和區分粒子的性質。粒子的性質。電子偶：電子偶：理論和實驗都表明，正電子總是伴隨著電子一起出理論和實驗都表明，正電子總是伴隨著電子一起出現的，猶如成對成雙的配偶，故稱之為電子現的，猶如成對成雙的

6、配偶，故稱之為電子正電子偶，正電子偶，簡稱電子偶或電子對。簡稱電子偶或電子對?，F在學習的是第7頁，共40頁*帶電粒子在非均勻磁場中的運動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，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。且所以不是勻速圓周運動。且半徑逐漸變半徑逐漸變小小。使沿磁場的運動被抑，而被迫反轉。使沿磁場的運動被抑，而被迫反轉。象被象被“反射反射”回來一樣回來一樣磁鏡磁鏡。*應用：應用：磁約束磁約束用于受控用于受控熱核反應中熱核反應中現在學習的是第8頁，共40頁地磁場，兩極強，中間弱，能

7、夠地磁場，兩極強，中間弱，能夠捕獲來自宇宙射線的的帶電粒子，捕獲來自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來回振蕩。在兩極之間來回振蕩。1958年，探索者一號衛星在外層空年，探索者一號衛星在外層空間發現被磁場俘獲的來自宇宙射間發現被磁場俘獲的來自宇宙射線和太陽風的質子層和電子層線和太陽風的質子層和電子層Van Allen輻射帶輻射帶現在學習的是第9頁，共40頁三、帶電粒子在電場和磁場中的運動舉例三、帶電粒子在電場和磁場中的運動舉例1、電子比荷（、電子比荷（e/m）的測定）的測定引言：引言：電子的電量和質量是電電子的電量和質量是電子基本屬性，對電子的電量、子基本屬性，對電子的電量、質量和兩者的比值質量

8、和兩者的比值(即比荷即比荷)的測的測定有重要的意義。定有重要的意義。1897年年J.J.Thomson在卡文迪許實驗室測在卡文迪許實驗室測量電子比荷，為此量電子比荷，為此1906年獲年獲Nobel物理獎。物理獎。實驗裝置實驗裝置原理原理加速電子經過電場與磁場區域發生偏加速電子經過電場與磁場區域發生偏轉轉y結論結論對于速度不太大的電子對于速度不太大的電子現在學習的是第10頁，共40頁帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動現在學習的是第11頁，共40頁2、質譜儀質譜儀引言：引言：是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學家與化學家是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學家與化學家阿斯頓于阿

9、斯頓于1919年創造，當年發現了氯與汞的同位素，以后幾年又發年創造，當年發現了氯與汞的同位素，以后幾年又發現了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓現了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓于于1922年獲諾貝爾化學獎。年獲諾貝爾化學獎。原理圖原理圖速度選擇器速度選擇器+從離子源出來的離子經過從離子源出來的離子經過S1、S2加速進入電場和磁場空間，若加速進入電場和磁場空間，若粒子帶正電荷粒子帶正電荷+q，則電荷所受的，則電荷所受的力有：力有：洛侖茲力：洛侖茲力：qvB電場力電場力：qE若粒子能進入下面的磁場若粒子能進入下面的磁場qvB=qE速度選擇器速度選擇器現在學

10、習的是第12頁，共40頁若每個離子所帶電量相等，由譜線的若每個離子所帶電量相等，由譜線的位置可以確定同位素的質量。位置可以確定同位素的質量。由感光片上譜線的黑度，可以確由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對含量。定同位素的相對含量。質譜分析：質譜分析：帶電粒子帶電粒子 經過速度選擇器后，進入經過速度選擇器后，進入磁場磁場B中做圓周運動，半徑中做圓周運動，半徑R為為+鍺的質譜鍺的質譜現在學習的是第13頁，共40頁3、回旋加速器回旋加速器美國物理學家勞倫美國物理學家勞倫斯于斯于1934年研制成功年研制成功第一臺加速器第一臺加速器勞倫斯于勞倫斯于1939年獲年獲諾貝爾物理學獎。諾貝爾物理學獎?，F

11、在學習的是第14頁，共40頁結構：結構：密封在真空中的兩個金屬盒（密封在真空中的兩個金屬盒（D1和和D2）放在電磁鐵兩極間的）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。以加速帶電粒子。目的：目的：用來獲得高能帶電粒子用來獲得高能帶電粒子轟擊原子核或轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應，研究原子核其它粒子，觀察其中的反應，研究原子核或其它粒子的性質?；蚱渌Ｗ拥男再|。原理：原理：使帶電粒子在電場與磁場作用下，往使帶電粒子在電場與磁場作用下，往復加速達到高能。復加速達到高能?，F在學習的是第15頁，共

12、40頁交變電場的周期恰好為回旋周期時交變電場的周期恰好為回旋周期時粒子粒子繞過半圈恰好電場反向，粒子又被加速。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，所以粒子可被反復因為回旋周期與半徑無關，所以粒子可被反復加速，至用致偏電極將其引出。加速，至用致偏電極將其引出?；匦l率回旋頻率當粒子到達半圓邊緣時，粒子的速率為（當粒子到達半圓邊緣時，粒子的速率為（R0為最大半徑）為最大半徑）粒子動能粒子動能理論理論增大電磁鐵的截面，可以增大粒子的能量增大電磁鐵的截面，可以增大粒子的能量實際實際比較困難比較困難現在學習的是第16頁，共40頁蘭州重離子加速器蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機北

13、京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器我國最大的三個加速器現在學習的是第17頁，共40頁 例題例題質譜儀測粒子的荷質比質譜儀測粒子的荷質比DU實驗實驗：加速電壓：加速電壓U，均勻磁場，均勻磁場B，粒子垂直入射，進口到膠片，粒子垂直入射，進口到膠片記錄位置間距為記錄位置間距為D，計算粒子的，計算粒子的Q/m值。值。解：粒子進質譜儀時動能解：粒子進質譜儀時動能進磁場后做勻速率圓周運動，進磁場后做勻速率圓周運動，R現在學習的是第18頁，共40頁4、霍耳效應霍耳效應1879年霍耳發現載流導體放在年霍耳發現載流導體放在磁場中，如果磁場方向與電流磁場中，如果磁場方向與電流

14、方向垂直，則在與磁場和電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現橫向電二者垂直的方向上出現橫向電勢差，這一現象稱之為勢差，這一現象稱之為霍耳效應霍耳效應。相應的電勢差稱為相應的電勢差稱為霍耳電壓霍耳電壓?，F象現象實驗規律實驗規律在磁場不太強時，霍耳電壓與在磁場不太強時，霍耳電壓與電流電流I和磁感應強度和磁感應強度B成正比，成正比，而與導電板的厚度而與導電板的厚度d 成反比成反比I+_+-EBbddbuHI現在學習的是第19頁，共40頁+I +I現在學習的是第20頁，共40頁假設載流子是負電荷，定向假設載流子是負電荷，定向漂移速度為漂移速度為vd與電流反向與電流反向，磁場中的洛侖茲力使載

15、，磁場中的洛侖茲力使載流子運動，形成流子運動，形成霍耳電場霍耳電場。電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移達到電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移達到動態平衡，從而形成橫向電勢差。動態平衡，從而形成橫向電勢差?；舳慕浀浣忉尰舳慕浀浣忉孖 -=d霍耳系數霍耳系數現在學習的是第21頁，共40頁霍耳效應的應用霍耳效應的應用半導體的載流子濃度小于金屬電半導體的載流子濃度小于金屬電子的濃度，且容易受溫度、雜質子的濃度，且容易受溫度、雜質的影響，所以霍耳系數是研究半的影響，所以霍耳系數是研究半導體的重要方法之一。導體的重要方法之一。判定載流子類型判定載流子類型測量載流子濃度測量載流子濃度測量磁感應強度測

16、量磁感應強度測量電流測量電流測量溫度測量溫度1980年，德國物理學家克利青在研究低溫和強磁場下半導體的霍耳年，德國物理學家克利青在研究低溫和強磁場下半導體的霍耳效應時，發現效應時，發現UHB的曲線出現臺階，而不是線性關系的曲線出現臺階，而不是線性關系量子霍量子霍耳效應耳效應。為此克利青于。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學獎。年獲得諾貝爾物理學獎。后來又發現了分數量子霍耳效應。分數量子霍耳效應與分數電后來又發現了分數量子霍耳效應。分數量子霍耳效應與分數電荷的存在與否有關。荷的存在與否有關。優點：無機械損耗，可以提高效率，優點：無機械損耗，可以提高效率，缺點：尚存在技術問題有待解決。缺點：尚

17、存在技術問題有待解決?，F在學習的是第22頁，共40頁Ibd-V垂直于垂直于 的方向出現的方向出現電勢差電勢差 霍耳效應霍耳效應 霍耳電壓霍耳電壓UHIBUH正效應正效應載流子是載流子是 空穴空穴 P型半導體型半導體 UH負效應負效應載流子是電子載流子是電子 n型半導體型半導體 現在學習的是第23頁，共40頁*磁流體發電磁流體發電氣氣體體在在3000K高高溫溫下下將將發發生生電電離離，成成為為正正、負負離離子子，將將高高溫溫等等離離子子氣氣體體以以1000m/s的速度進入均勻磁場的速度進入均勻磁場B中中+高溫高溫等離等離子氣子氣+I 正電荷聚集在上板，負電正電荷聚集在上板，負電荷聚集在下板，因而

18、可向荷聚集在下板，因而可向外供電。外供電?，F在學習的是第24頁，共40頁磁場對電流的作用磁場對電流的作用一、一、安培力安培力I電流元電流元一個電荷受力一個電荷受力N個電荷受力個電荷受力現在學習的是第25頁，共40頁 均勻磁場均勻磁場2、均勻磁場中的閉合線圈、均勻磁場中的閉合線圈 F=0I直導線直導線任意導線任意導線I 長度矢量長度矢量說明：說明：1、3、若處處若處處 （不一定均勻不一定均勻）F=0現在學習的是第26頁，共40頁2R長度矢量長度矢量解：解：方向方向 均勻磁場中放置一半徑為均勻磁場中放置一半徑為R R的半圓形導線，的半圓形導線，電流強度為電流強度為I I，導線兩端連線與磁感強度方向

19、，導線兩端連線與磁感強度方向夾角夾角 ，求此段圓弧電流受的磁力。，求此段圓弧電流受的磁力。例題例題現在學習的是第27頁，共40頁二、電流的單位二、電流的單位 平行電流間的相互作用平行電流間的相互作用1、平行載流直導線間的相互作用、平行載流直導線間的相互作用I1I2rB21B12 方向方向方向方向 同流向，相吸引；同流向，相吸引；逆流向，相排斥。逆流向，相排斥。方向方向方向方向 兩根平行長直線，相距兩根平行長直線，相距1m，兩導線上電流流向相同，大小相等，調節電流，使得兩導線，兩導線上電流流向相同，大小相等，調節電流，使得兩導線每單位長度上的吸引力為每單位長度上的吸引力為210-7N m-1，我

20、們規定這個電流為，我們規定這個電流為1A?，F在學習的是第28頁，共40頁平行電流間的相互作用平行電流間的相互作用現在學習的是第29頁，共40頁磁場對載流線圈的作用磁場對載流線圈的作用一、磁場作用于載流線圈的磁力矩一、磁場作用于載流線圈的磁力矩受力情況受力情況BF4F3F1F2l1l2MNOPI兩者大小相等，方向相反，且在同一直線上，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。故對于線圈來說，它們合力矩為零。F1與與F2形成一個力偶形成一個力偶l1現在學習的是第30頁，共40頁線圈所受有磁力矩線圈所受有磁力矩引入磁矩引入磁矩討論：討論：q q =p p/2，線圈與磁場

21、平行，磁通量，線圈與磁場平行，磁通量F F=0，力矩，力矩Mmax=ISBq q=0，垂直，垂直，F F=BS，力矩，力矩M=0，平衡，平衡q q=p p，垂直，垂直，F F=-BS，力矩，力矩M=0，平衡，平衡現在學習的是第31頁，共40頁例題例題2、證明轉動帶電園盤的磁矩證明轉動帶電園盤的磁矩。rdro解：解：解：解：現在學習的是第32頁，共40頁二、磁電式電流計原理二、磁電式電流計原理作用：作用：測量電流測量電流原理：原理：載流線圈在磁場中受磁載流線圈在磁場中受磁力矩的作用發生偏轉。力矩的作用發生偏轉。結構：結構：永久磁鐵的兩極永久磁鐵的兩極圓柱體鐵心圓柱體鐵心繞固定轉軸轉動的鋁制框架繞

22、固定轉軸轉動的鋁制框架框架上繞有線圈框架上繞有線圈轉軸的兩端各有一個旋絲轉軸的兩端各有一個旋絲一端上固定一針一端上固定一針現在學習的是第33頁，共40頁現在學習的是第34頁，共40頁磁力的功磁力的功磁力對運動載流導線作的功磁力對運動載流導線作的功ab邊所受到的磁力若 ab邊在F 作用下移至ab，磁力作的功為即式中 為回路abcda所包圍的面積磁通量的增量現在學習的是第35頁，共40頁M 當當 I 不隨不隨時間變化時間變化正向正向磁通磁通增加增加磁力做磁力做正功正功INI反向反向磁通磁通減少減少磁力做磁力做正功正功根據電流方向，穿過回根據電流方向，穿過回路的磁通是反向的路的磁通是反向的磁力矩對轉動載流線圈作的功磁力矩對轉動載流線圈作的功現在學習的是第36頁，共40頁現在學習的是第37頁，共40頁現在學習的是第38頁，共40頁現在學習的是第39頁，共40頁現在學習的是第40頁，共40頁