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1、电流与磁场的相互作用现在学习的是第1页，共40页洛仑兹洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz,1853-1928)1895年，洛仑兹根据物质电结构的假说，创立年，洛仑兹根据物质电结构的假说，创立了了经典电子论经典电子论。洛仑兹的电磁场理论研究成果，。洛仑兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛仑兹力是洛仑兹在现代物理中占有重要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。的。洛仑兹还预言了洛仑兹还预言了正常的塞曼效益正常的塞曼效益，即磁场，即磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场的影响而分中的光源所发出的各谱
2、线，受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。裂成多条的现象中的某种特殊现象。洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要基础。重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要基础。洛仑兹对洛仑兹对统计物理学统计物理学也有贡献。也有贡献。荷兰物理学家、数学荷兰物理学家、数学家，因研究磁场对辐家，因研究磁场对辐射现象的影响取得重射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获要成果，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖金。奖金。现在学习的是第2页，共40页带电粒子在磁场中受力带电粒子在磁场中受力现在学习的是第3页，共40页2、速度方向
3、与磁场方向垂直、速度方向与磁场方向垂直洛仑兹力的大小洛仑兹力的大小二、带电粒子在磁场中的运动二、带电粒子在磁场中的运动1、速度方向与磁场方向平行、速度方向与磁场方向平行带电粒子受到的洛仑兹力为零，带电粒子受到的洛仑兹力为零，粒子作直线运动。粒子作直线运动。磁力提供向心力磁力提供向心力。周期与速度无关周期与速度无关R R 匀速率圆匀速率圆周运动周运动现在学习的是第4页，共40页3、速度方向与磁场方向有夹角、速度方向与磁场方向有夹角把速度分解成平行于磁场的分量把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量与垂直于磁场的分量平行于磁场的方向：平行于磁场的方向：F/=0，匀速直线运动匀速直线运动垂直于
4、磁场的方向：垂直于磁场的方向：F=qvBsin，匀速圆周运动，匀速圆周运动 粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。回旋半径回旋半径回旋周期回旋周期螺距螺距粒子回转一周所前进粒子回转一周所前进的距离的距离现在学习的是第5页，共40页hB 螺距螺距d与与v无关，只与无关，只与v/成正比，若各粒成正比，若各粒子的子的v/相同，则其螺距是相同的，每转相同，则其螺距是相同的，每转 一周一周粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现磁磁聚焦聚焦。现在学习的是第6页，共40页*电子的反粒子电子的反粒子 电子偶电子偶正电子：正电子：1930年
5、英国物理学家狄拉克从年英国物理学家狄拉克从理论上预言了正电子的存在，理论上预言了正电子的存在，1932年，美年，美国物理学家安德森在分析宇宙射线穿过位于国物理学家安德森在分析宇宙射线穿过位于云雾室的铅块后的带电粒子的照片时，发现云雾室的铅块后的带电粒子的照片时，发现了正电子。了正电子。原理：原理：在高能粒子物理中，常用带电在高能粒子物理中，常用带电粒子在云雾室中的轨迹来观察和区分粒子在云雾室中的轨迹来观察和区分粒子的性质。粒子的性质。电子偶：电子偶：理论和实验都表明，正电子总是伴随着电子一起出理论和实验都表明，正电子总是伴随着电子一起出现的，犹如成对成双的配偶，故称之为电子现的，犹如成对成双的
6、配偶，故称之为电子正电子偶，正电子偶，简称电子偶或电子对。简称电子偶或电子对。现在学习的是第7页，共40页*带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子进入轴对称会聚磁场，由于磁带电粒子进入轴对称会聚磁场，由于磁场的不均匀，洛仑兹力的大小要变化，场的不均匀，洛仑兹力的大小要变化，所以不是匀速圆周运动。且所以不是匀速圆周运动。且半径逐渐变半径逐渐变小小。使沿磁场的运动被抑，而被迫反转。使沿磁场的运动被抑，而被迫反转。象被象被“反射反射”回来一样回来一样磁镜磁镜。*应用：应用：磁约束磁约束用于受控用于受控热核反应中热核反应中现在学习的是第8页，共40页地磁场，两极强，中间弱，能
7、够地磁场，两极强，中间弱，能够捕获来自宇宙射线的的带电粒子，捕获来自宇宙射线的的带电粒子，在两极之间来回振荡。在两极之间来回振荡。1958年，探索者一号卫星在外层空年，探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射间发现被磁场俘获的来自宇宙射线和太阳风的质子层和电子层线和太阳风的质子层和电子层Van Allen辐射带辐射带现在学习的是第9页，共40页三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例1、电子比荷（、电子比荷（e/m）的测定）的测定引言：引言：电子的电量和质量是电电子的电量和质量是电子基本属性，对电子的电量、子基本属性，对电子的电量、质量和两者的比值质量
8、和两者的比值(即比荷即比荷)的测的测定有重要的意义。定有重要的意义。1897年年J.J.Thomson在卡文迪许实验室测在卡文迪许实验室测量电子比荷，为此量电子比荷，为此1906年获年获Nobel物理奖。物理奖。实验装置实验装置原理原理加速电子经过电场与磁场区域发生偏加速电子经过电场与磁场区域发生偏转转y结论结论对于速度不太大的电子对于速度不太大的电子现在学习的是第10页，共40页带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动现在学习的是第11页，共40页2、质谱仪质谱仪引言：引言：是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与化学家是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与化学家阿斯顿于阿
9、斯顿于1919年创造，当年发现了氯与汞的同位素，以后几年又发年创造，当年发现了氯与汞的同位素，以后几年又发现了许多同位素，特别是一些非放射性的同位素，为此，阿斯顿现了许多同位素，特别是一些非放射性的同位素，为此，阿斯顿于于1922年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。原理图原理图速度选择器速度选择器+从离子源出来的离子经过从离子源出来的离子经过S1、S2加速进入电场和磁场空间，若加速进入电场和磁场空间，若粒子带正电荷粒子带正电荷+q，则电荷所受的，则电荷所受的力有：力有：洛仑兹力：洛仑兹力：qvB电场力电场力：qE若粒子能进入下面的磁场若粒子能进入下面的磁场qvB=qE速度选择器速度选择器现在学
10、习的是第12页，共40页若每个离子所带电量相等，由谱线的若每个离子所带电量相等，由谱线的位置可以确定同位素的质量。位置可以确定同位素的质量。由感光片上谱线的黑度，可以确由感光片上谱线的黑度，可以确定同位素的相对含量。定同位素的相对含量。质谱分析：质谱分析：带电粒子带电粒子 经过速度选择器后，进入经过速度选择器后，进入磁场磁场B中做圆周运动，半径中做圆周运动，半径R为为+锗的质谱锗的质谱现在学习的是第13页，共40页3、回旋加速器回旋加速器美国物理学家劳伦美国物理学家劳伦斯于斯于1934年研制成功年研制成功第一台加速器第一台加速器劳伦斯于劳伦斯于1939年获年获诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。现
11、在学习的是第14页，共40页结构：结构：密封在真空中的两个金属盒（密封在真空中的两个金属盒（D1和和D2）放在电磁铁两极间的）放在电磁铁两极间的强大磁场中，两盒间接有交流电源，它在缝隙里的交变电场用强大磁场中，两盒间接有交流电源，它在缝隙里的交变电场用以加速带电粒子。以加速带电粒子。目的：目的：用来获得高能带电粒子用来获得高能带电粒子轰击原子核或轰击原子核或其它粒子，观察其中的反应，研究原子核其它粒子，观察其中的反应，研究原子核或其它粒子的性质。或其它粒子的性质。原理：原理：使带电粒子在电场与磁场作用下，往使带电粒子在电场与磁场作用下，往复加速达到高能。复加速达到高能。现在学习的是第15页，共
12、40页交变电场的周期恰好为回旋周期时交变电场的周期恰好为回旋周期时粒子粒子绕过半圈恰好电场反向，粒子又被加速。绕过半圈恰好电场反向，粒子又被加速。因为回旋周期与半径无关，所以粒子可被反复因为回旋周期与半径无关，所以粒子可被反复加速，至用致偏电极将其引出。加速，至用致偏电极将其引出。回旋频率回旋频率当粒子到达半圆边缘时，粒子的速率为（当粒子到达半圆边缘时，粒子的速率为（R0为最大半径）为最大半径）粒子动能粒子动能理论理论增大电磁铁的截面，可以增大粒子的能量增大电磁铁的截面，可以增大粒子的能量实际实际比较困难比较困难现在学习的是第16页，共40页兰州重离子加速器兰州重离子加速器北京正负电子对撞机北
13、京正负电子对撞机合肥同步辐射加速器合肥同步辐射加速器我国最大的三个加速器我国最大的三个加速器现在学习的是第17页，共40页 例题例题质谱仪测粒子的荷质比质谱仪测粒子的荷质比DU实验实验：加速电压：加速电压U，均匀磁场，均匀磁场B，粒子垂直入射，进口到胶片，粒子垂直入射，进口到胶片记录位置间距为记录位置间距为D，计算粒子的，计算粒子的Q/m值。值。解：粒子进质谱仪时动能解：粒子进质谱仪时动能进磁场后做匀速率圆周运动，进磁场后做匀速率圆周运动，R现在学习的是第18页，共40页4、霍耳效应霍耳效应1879年霍耳发现载流导体放在年霍耳发现载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流磁场中，如果磁场方向与电流
14、方向垂直，则在与磁场和电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为势差，这一现象称之为霍耳效应霍耳效应。相应的电势差称为相应的电势差称为霍耳电压霍耳电压。现象现象实验规律实验规律在磁场不太强时，霍耳电压与在磁场不太强时，霍耳电压与电流电流I和磁感应强度和磁感应强度B成正比，成正比，而与导电板的厚度而与导电板的厚度d 成反比成反比I+_+-EBbddbuHI现在学习的是第19页，共40页+I +I现在学习的是第20页，共40页假设载流子是负电荷，定向假设载流子是负电荷，定向漂移速度为漂移速度为vd与电流反向与电流反向，磁场中的洛仑兹力使载
15、，磁场中的洛仑兹力使载流子运动，形成流子运动，形成霍耳电场霍耳电场。电场力与洛仑兹力平衡时电子的漂移达到电场力与洛仑兹力平衡时电子的漂移达到动态平衡，从而形成横向电势差。动态平衡，从而形成横向电势差。霍耳效应的经典解释霍耳效应的经典解释I -=d霍耳系数霍耳系数现在学习的是第21页，共40页霍耳效应的应用霍耳效应的应用半导体的载流子浓度小于金属电半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度，且容易受温度、杂质子的浓度，且容易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。导体的重要方法之一。判定载流子类型判定载流子类型测量载流子浓度测量载流子浓度测量磁感应强度测
16、量磁感应强度测量电流测量电流测量温度测量温度1980年，德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体的霍耳年，德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体的霍耳效应时，发现效应时，发现UHB的曲线出现台阶，而不是线性关系的曲线出现台阶，而不是线性关系量子霍量子霍耳效应耳效应。为此克利青于。为此克利青于1985年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。后来又发现了分数量子霍耳效应。分数量子霍耳效应与分数电后来又发现了分数量子霍耳效应。分数量子霍耳效应与分数电荷的存在与否有关。荷的存在与否有关。优点：无机械损耗，可以提高效率，优点：无机械损耗，可以提高效率，缺点：尚存在技术问题有待解决。缺点：尚
17、存在技术问题有待解决。现在学习的是第22页，共40页Ibd-V垂直于垂直于 的方向出现的方向出现电势差电势差 霍耳效应霍耳效应 霍耳电压霍耳电压UHIBUH正效应正效应载流子是载流子是 空穴空穴 P型半导体型半导体 UH负效应负效应载流子是电子载流子是电子 n型半导体型半导体 现在学习的是第23页，共40页*磁流体发电磁流体发电气气体体在在3000K高高温温下下将将发发生生电电离离，成成为为正正、负负离离子子，将将高高温温等等离离子子气气体体以以1000m/s的速度进入均匀磁场的速度进入均匀磁场B中中+高温高温等离等离子气子气+I 正电荷聚集在上板，负电正电荷聚集在上板，负电荷聚集在下板，因而
18、可向荷聚集在下板，因而可向外供电。外供电。现在学习的是第24页，共40页磁场对电流的作用磁场对电流的作用一、一、安培力安培力I电流元电流元一个电荷受力一个电荷受力N个电荷受力个电荷受力现在学习的是第25页，共40页 均匀磁场均匀磁场2、均匀磁场中的闭合线圈、均匀磁场中的闭合线圈 F=0I直导线直导线任意导线任意导线I 长度矢量长度矢量说明：说明：1、3、若处处若处处 （不一定均匀不一定均匀）F=0现在学习的是第26页，共40页2R长度矢量长度矢量解：解：方向方向 均匀磁场中放置一半径为均匀磁场中放置一半径为R R的半圆形导线，的半圆形导线，电流强度为电流强度为I I，导线两端连线与磁感强度方向
19、，导线两端连线与磁感强度方向夹角夹角 ，求此段圆弧电流受的磁力。，求此段圆弧电流受的磁力。例题例题现在学习的是第27页，共40页二、电流的单位二、电流的单位 平行电流间的相互作用平行电流间的相互作用1、平行载流直导线间的相互作用、平行载流直导线间的相互作用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 两根平行长直线，相距两根平行长直线，相距1m，两导线上电流流向相同，大小相等，调节电流，使得两导线，两导线上电流流向相同，大小相等，调节电流，使得两导线每单位长度上的吸引力为每单位长度上的吸引力为210-7N m-1，我
20、们规定这个电流为，我们规定这个电流为1A。现在学习的是第28页，共40页平行电流间的相互作用平行电流间的相互作用现在学习的是第29页，共40页磁场对载流线圈的作用磁场对载流线圈的作用一、磁场作用于载流线圈的磁力矩一、磁场作用于载流线圈的磁力矩受力情况受力情况BF4F3F1F2l1l2MNOPI两者大小相等，方向相反，且在同一直线上，两者大小相等，方向相反，且在同一直线上，故对于线圈来说，它们合力矩为零。故对于线圈来说，它们合力矩为零。F1与与F2形成一个力偶形成一个力偶l1现在学习的是第30页，共40页线圈所受有磁力矩线圈所受有磁力矩引入磁矩引入磁矩讨论：讨论：q q =p p/2，线圈与磁场
21、平行，磁通量，线圈与磁场平行，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，平衡现在学习的是第31页，共40页例题例题2、证明转动带电园盘的磁矩证明转动带电园盘的磁矩。rdro解：解：解：解：现在学习的是第32页，共40页二、磁电式电流计原理二、磁电式电流计原理作用：作用：测量电流测量电流原理：原理：载流线圈在磁场中受磁载流线圈在磁场中受磁力矩的作用发生偏转。力矩的作用发生偏转。结构：结构：永久磁铁的两极永久磁铁的两极圆柱体铁心圆柱体铁心绕固定转轴转动的铝制框架绕
22、固定转轴转动的铝制框架框架上绕有线圈框架上绕有线圈转轴的两端各有一个旋丝转轴的两端各有一个旋丝一端上固定一针一端上固定一针现在学习的是第33页，共40页现在学习的是第34页，共40页磁力的功磁力的功磁力对运动载流导线作的功磁力对运动载流导线作的功ab边所受到的磁力若 ab边在F 作用下移至ab，磁力作的功为即式中 为回路abcda所包围的面积磁通量的增量现在学习的是第35页，共40页M 当当 I 不随不随时间变化时间变化正向正向磁通磁通增加增加磁力做磁力做正功正功INI反向反向磁通磁通减少减少磁力做磁力做正功正功根据电流方向，穿过回根据电流方向，穿过回路的磁通是反向的路的磁通是反向的磁力矩对转动载流线圈作的功磁力矩对转动载流线圈作的功现在学习的是第36页，共40页现在学习的是第37页，共40页现在学习的是第38页，共40页现在学习的是第39页，共40页现在学习的是第40页，共40页