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1、四章稳恒磁场 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1.磁的基本现象和基本规律磁的基本现象和基本规律2.载流回路的磁场载流回路的磁场3.磁场的高斯定理与安培环路定理磁场的高斯定理与安培环路定理4.磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用5.带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动主要内容主要内容 4.1 4.1 磁的基本现象和基本规律磁的基本现象和基本规律 1.磁的基本现象磁的基本现象 2.磁场磁场 3.安培定律安培定律 4.磁感应强度矢量磁感应强度矢
2、量B 一块磁体上磁性特别强的区域，叫做磁极。任何一块磁体上磁性特别强的区域，叫做磁极。任何磁体都有两极：南极（磁体都有两极：南极（S S）和北极（）和北极（N N），若将条形磁），若将条形磁铁切断，无论切成几段，每一段都具有一个北极和一铁切断，无论切成几段，每一段都具有一个北极和一个南极，其他的磁体也具有这个性质，这表明磁体不个南极，其他的磁体也具有这个性质，这表明磁体不存在独立的存在独立的N N极或极或S S极，但是有独立存在的正电荷或负极，但是有独立存在的正电荷或负电荷，这是磁极与电荷的基本区别电荷，这是磁极与电荷的基本区别。4.1.14.1.1磁的基本现象磁的基本现象 人类对磁现象的认识
3、是很早的，最早发现的磁现象人类对磁现象的认识是很早的，最早发现的磁现象是天然磁石吸铁的现象。指南针是我国古代的伟大发是天然磁石吸铁的现象。指南针是我国古代的伟大发明之一，对世界文明的发展有重大影响。明之一，对世界文明的发展有重大影响。1.1.磁铁和磁铁间的相互作用磁铁和磁铁间的相互作用 将一根磁铁悬挂起来使它能够自由转动，并用另将一根磁铁悬挂起来使它能够自由转动，并用另一根磁铁去接近它，可以发现，同号的磁极相互排斥，一根磁铁去接近它，可以发现，同号的磁极相互排斥，异号的磁极相互吸引。异号的磁极相互吸引。2.2.电流对磁铁的作用力（奥斯特实验）电流对磁铁的作用力（奥斯特实验）导线沿南北方向放置，
4、下面有一可在水平面内自导线沿南北方向放置，下面有一可在水平面内自由转动的磁针。当导线中没有电流通过时，磁针在地由转动的磁针。当导线中没有电流通过时，磁针在地磁场的作用下沿南北取向磁场的作用下沿南北取向.当导线中通有电流时当导线中通有电流时,磁磁针就会发生偏转。上述实验表明，电流可以对磁铁施针就会发生偏转。上述实验表明，电流可以对磁铁施加作用力。加作用力。大量实验证明磁铁和磁铁，磁铁和电流，以大量实验证明磁铁和磁铁，磁铁和电流，以及电流和电流之间存在相互作用。及电流和电流之间存在相互作用。4.4.电流对电流的作用力电流对电流的作用力 把两根细直导线平行的悬挂起来，当电流通过把两根细直导线平行的悬
5、挂起来，当电流通过导线时，便可发现它们之间有相互作用。当电流方导线时，便可发现它们之间有相互作用。当电流方向相同时，它们相互吸引，当电流方向相反时，它向相同时，它们相互吸引，当电流方向相反时，它们相互排斥。们相互排斥。3.3.磁铁对电流的作用力磁铁对电流的作用力 把一段水平直导线悬挂在马蹄形磁铁两极间，把一段水平直导线悬挂在马蹄形磁铁两极间，通电后，导线就会移动。这表明磁铁可以对载流通电后，导线就会移动。这表明磁铁可以对载流导线施加作用力。导线施加作用力。4.1.2 4.1.2 磁场磁场 如如第第一一章章所所述述，静静止止电电荷荷之之间间的的作作用用力力是是通通过过电电场场来来实实现现的的，而
6、而电电场场的的基基本本性性质质是是对对于于任任何何置置于于其其中中的的电电荷荷施施加加力力的的作作用用。这这就就是是说说电电的的作作用用是是近近距距的的。磁磁极极和和电电流流之之间间的的相相互互作作用用也也是是这这样样，不不过过它它是是通通过过另另外外一一种种场场磁磁场场来来传传递递。磁磁极极或或电电流流在在自自己己周周围围空空间间产产生生一一个个磁磁场场，而而磁磁场场的的基基本本性性质质之之一一是是它它对对任任何何置置于于其其中中的的其其它它磁磁极极或或电电流流施施加加作作用用力力。因因此此用用磁磁场场的的观观点点我我们们就就可可以以把把磁磁铁铁和和磁磁铁铁，磁磁铁铁和和电电流流，以以及及电
7、电流流和和电电流流之之间间的的相相互互作作用用的的各各个实验统一起来了。个实验统一起来了。4.1.3 4.1.3 安培定律安培定律 正象点电荷之间相互作用的规律正象点电荷之间相互作用的规律库仑定律是库仑定律是静电场的基本规律一样，电流之间的相互作用是稳静电场的基本规律一样，电流之间的相互作用是稳恒磁场的基本规律。这个规律是安培通过精心设计恒磁场的基本规律。这个规律是安培通过精心设计的实验得到的，称之为安培定律。的实验得到的，称之为安培定律。我们把相互作用着的两个载流回路分割为许多我们把相互作用着的两个载流回路分割为许多无穷小的线元，叫电流元，只要知道了任意一对电无穷小的线元，叫电流元，只要知道
8、了任意一对电流元之间相互作用的基本规律，整个闭合回路受的流元之间相互作用的基本规律，整个闭合回路受的力便可通过矢量迭加计算出来。但在实验中无法实力便可通过矢量迭加计算出来。但在实验中无法实现一个孤立的稳恒电流元，从而无法直接用实验来现一个孤立的稳恒电流元，从而无法直接用实验来确定它们的相互作用。确定它们的相互作用。从而只能间接的从闭合载流回路的实验中推从而只能间接的从闭合载流回路的实验中推得。这里我们只给出结论：得。这里我们只给出结论：此式为安培定律的完整的表达形式。将式中此式为安培定律的完整的表达形式。将式中的下标的下标1 1和和2 2对调，即可得电流元对调，即可得电流元2 2对电流元对电流
9、元1 1的作的作用力的表达式。用力的表达式。式中式中F F为点电荷为点电荷q q1 1给给 q q2 2的力，将的力，将q q2 2看成是试探电荷，则看成是试探电荷，则上式可写为上式可写为 这就是电场强度的定义这就是电场强度的定义。4.1.44.1.4磁感应强度矢量磁感应强度矢量B B 为了定量的描述电场的分布时我们曾引入电场强为了定量的描述电场的分布时我们曾引入电场强度矢量度矢量E E的概念。同样，为了定量的描述磁场的分布，的概念。同样，为了定量的描述磁场的分布，我们也需引入一个矢量。在引入电场强度矢量时我们我们也需引入一个矢量。在引入电场强度矢量时我们从库仑定律出发。从库仑定律出发。然而在
10、磁场强度里相当于静电库仑定律的是然而在磁场强度里相当于静电库仑定律的是安培定律。安培定律的表达形式为安培定律。安培定律的表达形式为现在把电流元现在把电流元 看成是试探电流元。则整个看成是试探电流元。则整个回路对试探电流元的作用应是上式对回路对试探电流元的作用应是上式对 的积分：的积分：将上式拆成两部分得将上式拆成两部分得 式中的式中的B B叫磁感应强度矢量。叫磁感应强度矢量。上式为上式为B B的定义式。的定义式。若只讨论矢量的数值，则上式变为若只讨论矢量的数值，则上式变为 此式说明当我们把试探电流元放在磁场中某处时，此式说明当我们把试探电流元放在磁场中某处时，它受到的力与试探电流元的取向有关。
11、在某个特殊方它受到的力与试探电流元的取向有关。在某个特殊方向上以及与之相反的方向上，受力为向上以及与之相反的方向上，受力为0 0，将试探电流，将试探电流元旋转元旋转 ，受的力达到最大。，受的力达到最大。此时矢量此时矢量B B的方向沿试探电流元不受力的取向。的方向沿试探电流元不受力的取向。按照此定义，按照此定义，B B的单位为牛顿的单位为牛顿/安培安培米。这个单米。这个单位有个专有名称叫特斯拉，用位有个专有名称叫特斯拉，用T T表示。表示。1 1特斯拉特斯拉=1=1牛顿牛顿/安培安培米。米。我们定义空间这一点的磁感应强度大小为我们定义空间这一点的磁感应强度大小为4.2 4.2 载流回路的磁场载流
12、回路的磁场 1.毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律 2.2.载流直导线的磁场载流直导线的磁场 3.3.载流圆线圈轴线上的磁场载流圆线圈轴线上的磁场 4.4.载流螺线管中的磁场载流螺线管中的磁场 上节末已指出，载流导线产生磁场的基本规律是上节末已指出，载流导线产生磁场的基本规律是毕奥萨伐尔定律。毕奥萨伐尔定律。写成微分形式有写成微分形式有 它的积分形式为它的积分形式为 4.2.1 4.2.1 毕奥萨伐尔定律毕奥萨伐尔定律1.1.载流直导线的磁场载流直导线的磁场 考虑在直导线旁任意一点考虑在直导线旁任意一点p p的磁感应强度。根据的磁感应强度。根据毕奥萨伐尔定律可以看出，任意电流元产生的磁毕奥萨伐尔定律
13、可以看出，任意电流元产生的磁场方向都一致。因此总磁感应强度大小等于场方向都一致。因此总磁感应强度大小等于dBdB的代的代数和。对于有限的一段导线数和。对于有限的一段导线A A1 1A A2 2来说来说 下面我们利用上两式来计算一些特殊形式的载下面我们利用上两式来计算一些特殊形式的载流回路产生的磁场。流回路产生的磁场。将式中的积分变量将式中的积分变量L换为换为得到得到若导线无限长，则若导线无限长，则 以上结果表明，在载流无限长直导线周围的磁以上结果表明，在载流无限长直导线周围的磁感应强度与距离的一次方成反比。感应强度与距离的一次方成反比。设圆线圈的中心为设圆线圈的中心为O O，半径为，半径为R
14、R，在直径两端电流，在直径两端电流元产生的元磁场对称，合成后垂直于轴线方向的分量元产生的元磁场对称，合成后垂直于轴线方向的分量相互抵消，因此只需计算沿轴线方向的磁场分量。对相互抵消，因此只需计算沿轴线方向的磁场分量。对于整个圆周来说也一样，总的磁感应强度沿轴线方向。于整个圆周来说也一样，总的磁感应强度沿轴线方向。即利用毕奥萨伐尔定律，对于轴上的即利用毕奥萨伐尔定律，对于轴上的P P点，得公式点，得公式2.2.载流圆线圈轴线上的磁场载流圆线圈轴线上的磁场1.1.在圆心处：在圆心处：2.rR2.rR时，时，下面我们考虑两个特殊情形：下面我们考虑两个特殊情形：设螺线管的半径为设螺线管的半径为R，总长
15、度为，总长度为L，单位内的匝，单位内的匝数数n，每点在场点，每点在场点P产生的磁感应强度都沿轴线方向，产生的磁感应强度都沿轴线方向，其大小可由下式计算其大小可由下式计算因此，整个螺线管在因此，整个螺线管在P点产生的磁场强度为点产生的磁场强度为3.3.载流螺线管中的磁场载流螺线管中的磁场令令的几何意义见下图的几何意义见下图 把上面的螺线管积分变量把上面的螺线管积分变量L L换为换为，则有，则有，下面我们考虑两种特殊的情形：下面我们考虑两种特殊的情形：1.1.无限长螺线管无限长螺线管2.2.在半无限长螺线管的一端在半无限长螺线管的一端4.3 4.3 磁场的高斯定理与安培环路定理磁场的高斯定理与安培
16、环路定理1.磁场的高斯定理磁场的高斯定理2.2.磁场的安培环路定理磁场的安培环路定理 仿照第一章中引入电通量的办法，我们规定仿照第一章中引入电通量的办法，我们规定通过一个曲面通过一个曲面S S的磁感应通量为的磁感应通量为 反过来，我们也可以把磁感应强度看成是通反过来，我们也可以把磁感应强度看成是通过单位面积上的磁通量，即磁通密度。过单位面积上的磁通量，即磁通密度。4.3.1 4.3.1 磁场的高斯定理磁场的高斯定理可以想象，从一个闭合可以想象，从一个闭合S S的某处穿进的磁感应线必定的某处穿进的磁感应线必定要从另一处穿出，所以通过任意闭合要从另一处穿出，所以通过任意闭合S S 的磁通量恒等的磁
17、通量恒等于于0 0，既，既我们把这个结论叫做磁场的高斯定理。我们把这个结论叫做磁场的高斯定理。由于载流导线产生的磁感应线是无始无终的闭合线，由于载流导线产生的磁感应线是无始无终的闭合线，（1 1）安培环路定理的形式）安培环路定理的形式 在稳恒电流的磁场中，磁感应强度在稳恒电流的磁场中，磁感应强度B B沿任何闭合回沿任何闭合回路路L L的线积分，等于穿过这回路的所有电流强度代数的线积分，等于穿过这回路的所有电流强度代数和的和的 倍，数学表达式为：倍，数学表达式为：4.3.2 4.3.2 磁场的安培环路定理磁场的安培环路定理 正如高斯定理可以帮助我们计算某些具有一定对正如高斯定理可以帮助我们计算某
18、些具有一定对称性的带电体的电场分布一样，安培环路定理也可以称性的带电体的电场分布一样，安培环路定理也可以帮助我们计算某些具有一定对称性的载流导线的磁场帮助我们计算某些具有一定对称性的载流导线的磁场分布：分布：首先分析磁场的对称性，根据电流的分布来分析首先分析磁场的对称性，根据电流的分布来分析;之后，过场点选取合适的闭合积分路径；之后，过场点选取合适的闭合积分路径；选好积分回路的取向，确定回路内电流的正负；选好积分回路的取向，确定回路内电流的正负；最后由安培环路定理求出最后由安培环路定理求出B B。（2）安培环路定理的应用）安培环路定理的应用 注意事项：注意事项：1.1.符号规定：电流方向与符号
19、规定：电流方向与L L的环绕方向服从右手关的环绕方向服从右手关 系的系的I I为正，否则为负。为正，否则为负。2.2.安培环路定律对于任一形状的闭合回路均成立。安培环路定律对于任一形状的闭合回路均成立。3.B3.B的环流与电流分布有关，但路径上的环流与电流分布有关，但路径上B B仍是闭合路仍是闭合路 径内外电流的合贡献。径内外电流的合贡献。4.4.物理意义：磁场是非保守场，不能引入势能。物理意义：磁场是非保守场，不能引入势能。4.44.4磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用1.1.安培力安培力2.2.平行无限长直导线间的相互作用平行无限长直导线间的相互作用3.3.矩形载流线圈在均匀磁场中所
20、受的力矩矩形载流线圈在均匀磁场中所受的力矩4.4.载流线圈的磁矩载流线圈的磁矩 此式既是一个电流元此式既是一个电流元IdlIdl在外磁场在外磁场B B中受力的中受力的基本规律，又是定义磁感应强度基本规律，又是定义磁感应强度B B的依据。这个力的依据。这个力 就叫安培力，此公式叫安培公式。利用安培公式就叫安培力，此公式叫安培公式。利用安培公式可以计算各种形式的载流回路在外磁场中所受的可以计算各种形式的载流回路在外磁场中所受的力和力矩。力和力矩。写成矢量式为写成矢量式为安培力形式为安培力形式为4.4.1 4.4.1 安培力安培力 设两导线的垂直距离为设两导线的垂直距离为d d，其中电流强度分别，其
21、中电流强度分别为为I I1 1，I I2 2，导线，导线1 1在导线在导线2 2处产生的磁感应强度为处产生的磁感应强度为 其方向与导线垂直。导线其方向与导线垂直。导线2的一段受到的力大小为的一段受到的力大小为4.4.24.4.2两平行无限长直导线间的相互作用两平行无限长直导线间的相互作用反过来，导线反过来，导线2 2产生的磁场作用在导线产生的磁场作用在导线1 1上的上的一段的力的大小为一段的力的大小为因此，单位长度导线上的作用力的大小为因此，单位长度导线上的作用力的大小为 在在均均匀匀磁磁场场中中，有有一一刚刚性性矩矩形形载载流流线线圈圈abcdabcd，它它的的边边长长分分别别为为l1l1和
22、和l2l2，电电流流为为I I。设设 电电流流绕绕行行方方向向的的右右手手螺螺旋旋方方向向与与B B方方向向之之间间的的夹夹角角为为 。对对于于导导线线adad段段和和bcbc段段，作作用用力力的的大大小小相相等等、方方向向相相反反，并并且且在在同同一一直直线线上上，所所以以它它们们的的合合力力及及合合力力矩矩都都为为零零。而而导导线线abab段段和和cdcd段段所所受受磁磁场场作作用用力力的的大大小小则则分分别为别为F F2 2=F=F2 2=BIL=BIL2 2。4.4.3 4.4.3 矩形载流线圈在均匀磁场中矩形载流线圈在均匀磁场中 所受的力矩所受的力矩这两个力大小相等、方向相反，但不在
23、同一直这两个力大小相等、方向相反，但不在同一直线上，因此磁场作用在线圈上的磁力矩的大小线上，因此磁场作用在线圈上的磁力矩的大小为为:4.4.4 4.4.4 载流线圈的磁矩载流线圈的磁矩考虑线圈的磁矩考虑线圈的磁矩 ，则上式矢量表示为，则上式矢量表示为:如果线圈有如果线圈有N匝，那么其所受的磁力矩应为匝，那么其所受的磁力矩应为（1 1）当）当=0=0 时，线圈平面与时，线圈平面与B B垂直，垂直，M=0 M=0，此时线，此时线 圈处于稳定平衡状态；圈处于稳定平衡状态；（2 2）当）当=90=90时，线圈平面与时，线圈平面与B B平行，平行，M=M M=MMAXMAX=NBLS =NBLS ；（3
24、 3）当）当=180=180时，线圈平面与时，线圈平面与B B垂直，但载流线圈垂直，但载流线圈 的方向与的方向与B B的方向相反，的方向相反，M=0M=0，此时线圈是处于不，此时线圈是处于不 稳定平衡状态。总之，磁场对载流线圈作用的磁稳定平衡状态。总之，磁场对载流线圈作用的磁 力矩，总是使磁矩力矩，总是使磁矩M M转到磁感强度转到磁感强度B B的方向上。的方向上。考虑下述几种特殊情况：考虑下述几种特殊情况：4.54.5带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动1.2.3.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动4.荷质比的测定荷质比的测定5.霍耳效应霍耳效应洛伦兹力洛伦兹力 洛伦
25、兹力与安培力的关系洛伦兹力与安培力的关系 洛伦兹力洛伦兹力:运动电荷在磁场中所受的力。实验证明，运动电荷在磁场中所受的力。实验证明，运动带电粒子在磁场中受的力运动带电粒子在磁场中受的力F F与粒子的电荷与粒子的电荷q q、它的、它的速度速度v v、磁感应强度、磁感应强度B B有如下关系：有如下关系：按照矢径的定义，上式表明，按照矢径的定义，上式表明，F F的大小为的大小为:4.5.1 4.5.1 洛伦兹力洛伦兹力 而且而且F F的方向与电荷的方向与电荷q q的正负也有关系。由于洛伦的正负也有关系。由于洛伦兹力的方向总与带电粒子速度的方向垂直，洛伦兹力兹力的方向总与带电粒子速度的方向垂直，洛伦兹
26、力永远不对粒子作功。它只改变粒子运动的方向而不改永远不对粒子作功。它只改变粒子运动的方向而不改变它的速率和动能。变它的速率和动能。为为v v与与B B之间的夹角；之间的夹角；F F的方向与的方向与v v和和B B构成的平面垂直构成的平面垂直（如图）（如图）。安培力是作用在自由电子上洛伦兹力的宏观表现。安培力是作用在自由电子上洛伦兹力的宏观表现。如图，考虑一段长度为如图，考虑一段长度为II的金属导线，它放置在垂直纸的金属导线，它放置在垂直纸面向内的磁场中。设导线中通有电流面向内的磁场中。设导线中通有电流I I，其方向向上。，其方向向上。4.5.2 4.5.2 洛伦兹力与安培力的关系洛伦兹力与安培
27、力的关系 从微观的角度看，电流是由导体中的自由电子向从微观的角度看，电流是由导体中的自由电子向下作定向运动形成的。设自由电子的定向运动速度为下作定向运动形成的。设自由电子的定向运动速度为u u，导体单位体积内的自由电子数为（自由电子数密，导体单位体积内的自由电子数为（自由电子数密度）度）n n，每个电子所带的电量为，每个电子所带的电量为-e-e。所以根据电流的。所以根据电流的定义定义:由于这里电子的定向速度由于这里电子的定向速度u u与磁感应强度与磁感应强度B B垂直，垂直，所以，每个电子由于定向运动受到的洛伦兹力为所以，每个电子由于定向运动受到的洛伦兹力为f=euBf=euB。虽然这个力作用
28、在金属内的自由电子上，但是自虽然这个力作用在金属内的自由电子上，但是自由电子不会越出金属导线，它所获得的冲量最终都会由电子不会越出金属导线，它所获得的冲量最终都会传递给金属的晶格骨架。传递给金属的晶格骨架。宏观上看来将是金属导线本身受到这个力。整个宏观上看来将是金属导线本身受到这个力。整个长度为长度为ll的这段导线的体积为的这段导线的体积为SlSl，其中包含自由，其中包含自由电子的总数为电子的总数为nSlnSl，每个电子受力，每个电子受力f=euBf=euB，所以这段，所以这段导线最终受到的总力为导线最终受到的总力为F=nSleuB=B(enSu)lF=nSleuB=B(enSu)l。而而I=
29、enSuI=enSu，所以，所以F=BIlF=BIl。这正好是安培力。这正好是安培力。（1 1）粒子的初速）粒子的初速v v垂直于垂直于B:B:由于洛伦兹力永远垂直于粒由于洛伦兹力永远垂直于粒 子的速度，它只改变粒子运动的方向，但不改变子的速度，它只改变粒子运动的方向，但不改变 其速率其速率v v，因此粒子将在平面内作匀速圆周运动。，因此粒子将在平面内作匀速圆周运动。设粒子的质量为设粒子的质量为m m，根据牛顿第二定律：，根据牛顿第二定律：f=maf=ma，有有:4.5.3 带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动所以所以R=mv/qBR=mv/qB。运动周期为。运动周期为f f叫
30、做带电粒子在磁场中的回旋共振频率。回旋叫做带电粒子在磁场中的回旋共振频率。回旋共振频率与粒子的速率和回旋半径（又称拉摩共振频率与粒子的速率和回旋半径（又称拉摩半径）无关。半径）无关。（2 2）普普遍遍情情形形:普普遍遍情情形形下下，v v与与B B成成任任意意夹夹角角。如如图图，v=vcos,v=vsin.v=vcos,v=vsin.若若只只有有vv分分量量，粒粒子子将将在在垂垂直直于于B B的的平平面面内内作作匀匀速速圆圆周周运运动动；若若只只有有vv分分量量，磁磁场场对对粒粒子子没没有有作作用用力力，粒粒子子将将沿沿B B的的方方向向（或或其其反反方方向向）作作匀匀速速直直线线运运动动。当
31、当两两个个分分量量同同时时存存在在时时，粒粒子子的的轨轨迹迹将将成成为为一一条条螺螺旋旋线线。其其螺螺距距h h（粒粒子子每每回回转转一一周周时时前前进进的的距距离离）为为 ，它与，它与vv分量无关。分量无关。利用电子（或其它带电粒子）在磁场中偏转的特性，可以利用电子（或其它带电粒子）在磁场中偏转的特性，可以测定出它们的电荷与质量之比，即所谓荷质比。测定出它们的电荷与质量之比，即所谓荷质比。（1 1）汤姆孙测电子的何质比的方法）汤姆孙测电子的何质比的方法:4.5.4 4.5.4 何质比的测定何质比的测定:如上图，玻璃管内抽成真空，阳极如上图，玻璃管内抽成真空，阳极A A与阴极与阴极K K之间维
32、持数之间维持数千伏特的电压，靠管内残存气体的离子在阴极引起的二千伏特的电压，靠管内残存气体的离子在阴极引起的二次发射产生电子流。阳极次发射产生电子流。阳极A A和第二个金属屏和第二个金属屏AA的中央各的中央各有一个小孔，在有一个小孔，在K K、A A之间被加速了的电子流，只有很窄之间被加速了的电子流，只有很窄一束能够通过这个孔。如果没有玻璃管中部的那些装置，一束能够通过这个孔。如果没有玻璃管中部的那些装置，狭窄的电子束依靠惯性前进，直射在玻璃管另一端的荧狭窄的电子束依靠惯性前进，直射在玻璃管另一端的荧光屏光屏S S的中央，形成一个光点的中央，形成一个光点O O。C C、D D为电容器的两极为电
33、容器的两极板，在它们中间可产生一个竖直方向的电场。在圆形区板，在它们中间可产生一个竖直方向的电场。在圆形区域里，可由管外的电磁铁产生一方向垂直纸面的磁场。域里，可由管外的电磁铁产生一方向垂直纸面的磁场。适当调节电场与磁场的强度，可使它们作用在电子上的适当调节电场与磁场的强度，可使它们作用在电子上的力达到平衡即力达到平衡即 eE=evB,eE=evB,或或v=E/Bv=E/B。由由E E和和B B的数值可以测的数值可以测出电子流的速度出电子流的速度v v。再将电场切断，电子束在磁场区内。再将电场切断，电子束在磁场区内将沿圆弧运动，将沿圆弧运动，R=mv/qBR=mv/qB，因而电子的何质比为，因
34、而电子的何质比为 ，半径，半径R R可以直接从仪器上来确定。可以直接从仪器上来确定。（2 2）磁聚焦法）磁聚焦法:如上图，用磁聚焦法测荷质比装置的一种。真空玻璃管如上图，用磁聚焦法测荷质比装置的一种。真空玻璃管中装有热阴极中装有热阴极K K和有小孔的阳极和有小孔的阳极A A，在，在A A、K K之间加电压之间加电压UU时，由阳极小孔射出的电子的动能为时，由阳极小孔射出的电子的动能为 ，从而其速率为，从而其速率为 。在电容器。在电容器C C上加一不大的横向交变电场，使不同时刻通上加一不大的横向交变电场，使不同时刻通过这里的电子发生不同程度的偏转。在电容器过这里的电子发生不同程度的偏转。在电容器C
35、 C和荧光屏和荧光屏S S之间加一均匀纵向磁场，如上所述，电子从之间加一均匀纵向磁场，如上所述，电子从C C出来后将出来后将沿螺旋线运动，到沿螺旋线运动，到 的地方聚焦。适当的调节的地方聚焦。适当的调节B B的大小，的大小，可使电子流的焦点刚好落在荧光屏可使电子流的焦点刚好落在荧光屏S S上。这时，上。这时，h h就等于就等于C C到到S S间的距离间的距离l l，于是从上述，于是从上述h h与与v v的表达式中消去的表达式中消去v v即得即得 ，上式右端各量都可以测出，由此即可确定，上式右端各量都可以测出，由此即可确定e/me/m。霍耳效应霍耳效应:通有电流通有电流I I的金属或半导体板置于
36、磁感强度为的金属或半导体板置于磁感强度为B B的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂直。在金属板的的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂直。在金属板的两侧两侧M M和和N N之间就显示出微弱的横向电势差。这种现象称为之间就显示出微弱的横向电势差。这种现象称为霍耳效应霍耳效应(Hall effect)(Hall effect)。电势差。电势差V VM MV VN N 就称为霍耳电势就称为霍耳电势差。差。4.5.5 4.5.5 霍尔效应霍尔效应 实验表明：霍耳电势差的大小，与电流实验表明：霍耳电势差的大小，与电流I I及磁感强度的大及磁感强度的大小小B B成正比，而与板的厚度成正比，而与板的厚度d d
37、成反比。即成反比。即:其中其中R RH H称为霍耳系数。称为霍耳系数。霍耳效应可用磁场中的载流子受到的洛仑兹力来说明霍耳效应可用磁场中的载流子受到的洛仑兹力来说明:设载流子带电量为设载流子带电量为q q，载流子的数密度为，载流子的数密度为n n，载流子的平，载流子的平均漂移速度为均漂移速度为v v，它们在洛仑兹力，它们在洛仑兹力qvBqvB作用下向板的一侧作用下向板的一侧聚集，使得在聚集，使得在M M、N N两侧出现等量异号电荷，在板内建立两侧出现等量异号电荷，在板内建立起不断增加的横向电场。起不断增加的横向电场。当载流子受到的洛仑兹力和横向电场力相等时，载流子不当载流子受到的洛仑兹力和横向电
38、场力相等时，载流子不 再做侧向运动，在平衡时有再做侧向运动，在平衡时有:qvB=qE:qvB=qE 设板的侧向宽度为设板的侧向宽度为b b，则，则:V:VM M-V-VN N=Eb=Bvb.=Eb=Bvb.由电流强度由电流强度I I的定义，的定义，I=nqvbd,I=nqvbd,得得v=I/nqbd,v=I/nqbd,得霍尔电势差：得霍尔电势差：V VM M-V-VN N=BI/nqd.=BI/nqd.因此，霍耳系数因此，霍耳系数R RH H:R:RH H=1/nq=1/nq,霍耳系数霍耳系数R RH H与材料性质有关。与材料性质有关。因为半导体的载流子浓度远小于金属电子的浓度且易受温度、因为
39、半导体的载流子浓度远小于金属电子的浓度且易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。杂质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。利用半导体的霍耳效应制成的器件成为霍耳元件。利用霍耳利用半导体的霍耳效应制成的器件成为霍耳元件。利用霍耳效应还可以测量载流子的类型和数密度，可以测量磁场。效应还可以测量载流子的类型和数密度，可以测量磁场。量子霍耳效应量子霍耳效应:1980:1980年德国物理学家克立钦年德国物理学家克立钦(K.Von(K.Von Klitzing)Klitzing)在低温在低温(1.5K)(1.5K)和强磁场和强磁场(19T)(19T)条件下，发现条件下，发现
40、:式中的霍耳电势差与电流的关系，不再是线性的，而是台式中的霍耳电势差与电流的关系，不再是线性的，而是台阶式的非线性关系阶式的非线性关系:这就是量子霍耳效应。量子霍耳效应与低维系统的这就是量子霍耳效应。量子霍耳效应与低维系统的性质、高温超导体的性质存在联系。另外，量子霍耳效应性质、高温超导体的性质存在联系。另外，量子霍耳效应给电阻提供了一个新的测量基准，其精度可达给电阻提供了一个新的测量基准，其精度可达10101010。19861986年克立钦因量子霍耳效应的发现获诺贝尔奖金。年克立钦因量子霍耳效应的发现获诺贝尔奖金。4.6 4.6 磁的应用磁的应用1.1.磁在收音机中的应用磁在收音机中的应用2
41、.2.磁在电视机中的应用磁在电视机中的应用3.3.磁在磁录音机和磁录像机中的应用磁在磁录音机和磁录像机中的应用4.4.磁在新型汽车中的应用磁在新型汽车中的应用5.5.磁在发电机和电动机中的应用磁在发电机和电动机中的应用4.6.1 4.6.1 磁在收音机中的应用磁在收音机中的应用 收音机用到多种磁性材料和磁性器件。例收音机用到多种磁性材料和磁性器件。例如，收音机中都要使用电声喇叭把电信号变成如，收音机中都要使用电声喇叭把电信号变成声音，而一般最常用的电声喇叭便是永磁式电声音，而一般最常用的电声喇叭便是永磁式电声喇叭。声喇叭。收音机所收到的电台发射机已将声音转换收音机所收到的电台发射机已将声音转换
42、成的电信号，在受到电声喇叭中永久磁铁的磁成的电信号，在受到电声喇叭中永久磁铁的磁场作用而使电线圈振动发声。这样便将电台发场作用而使电线圈振动发声。这样便将电台发射的已转换为电信号的声音复原了。电声喇叭射的已转换为电信号的声音复原了。电声喇叭中的永久磁铁的磁场在这种电中的永久磁铁的磁场在这种电-声转换中起了声转换中起了重要的作用。喇叭则将电线圈的振动发声放大。重要的作用。喇叭则将电线圈的振动发声放大。为了提高收音机的灵敏度和接收距离，需为了提高收音机的灵敏度和接收距离，需要使用天线。如果利用磁性材料制成磁天线，要使用天线。如果利用磁性材料制成磁天线，不但可以显著减小天线的尺寸，而且还可以显不但可
43、以显著减小天线的尺寸，而且还可以显著提高收音机的灵敏度。这种磁天线的性能既著提高收音机的灵敏度。这种磁天线的性能既同天线的设计有关，又同磁性材料的磁特性有同天线的设计有关，又同磁性材料的磁特性有关。关。另外在收音机中转换高频率的电信号和低另外在收音机中转换高频率的电信号和低频率的电信号也都需要使用多种的高频变压器频率的电信号也都需要使用多种的高频变压器和低频变压器，这些变压器也需要使用多种的和低频变压器，这些变压器也需要使用多种的磁性材料。磁性材料。收音机工作时需要使用电源。有使用电池收音机工作时需要使用电源。有使用电池作电源的，也有使用交流电源的。在使用交流作电源的，也有使用交流电源的。在使
44、用交流电源时，又需要使用变压器来改变电压。变压电源时，又需要使用变压器来改变电压。变压器也需要采用磁性材料。器也需要采用磁性材料。这样可以看出，我们使用的收音机虽然体这样可以看出，我们使用的收音机虽然体积很小，但是却离不开磁性材料，和用多种磁积很小，但是却离不开磁性材料，和用多种磁性材料制成的多种磁性器件。性材料制成的多种磁性器件。4.6.2 4.6.2 磁在电视机中的应用磁在电视机中的应用 电视机是我们生活中经常应用的另一种电器。电视机是我们生活中经常应用的另一种电器。磁在电视机中的应用也是相当多的。同收音机相磁在电视机中的应用也是相当多的。同收音机相比较，电视机不但能听到声音，而且能看到活
45、动比较，电视机不但能听到声音，而且能看到活动的图像。在彩色电视机中还能看到色彩鲜艳逼真的图像。在彩色电视机中还能看到色彩鲜艳逼真的彩色活动图像。因此电视机要应用比收音机更的彩色活动图像。因此电视机要应用比收音机更多数量、更多种类和更多功能的磁性材料和磁性多数量、更多种类和更多功能的磁性材料和磁性器件。具体说来，电视机除了也使用收音机所使器件。具体说来，电视机除了也使用收音机所使用的多种磁变压器和永磁电声喇叭外，还要使用用的多种磁变压器和永磁电声喇叭外，还要使用磁聚焦器、磁扫描器和磁偏转器。磁聚焦器、磁扫描器和磁偏转器。4.6.3 4.6.3 磁在磁录音机和磁录像机中的应用磁在磁录音机和磁录像机
46、中的应用 磁录音机是将声音通过声音、电流、磁场和物质磁性磁录音机是将声音通过声音、电流、磁场和物质磁性之间的转换而把声音记录到由磁性材料制成的磁记录带之间的转换而把声音记录到由磁性材料制成的磁记录带(简称磁带简称磁带)上。这称为录音过程，或称磁录音。如果需要上。这称为录音过程，或称磁录音。如果需要把磁带上录制的声音再放出来，则通过与磁录音相反的过把磁带上录制的声音再放出来，则通过与磁录音相反的过程，即通过磁带的磁性程，即通过磁带的磁性磁场磁场电流电流声音之间的转换而声音之间的转换而把磁性再转换为声音。这称为磁放音过程，或称磁放音。把磁性再转换为声音。这称为磁放音过程，或称磁放音。磁磁录录像机是
47、同磁像机是同磁录录音机相似的家用音机相似的家用电电器。它器。它们们之之间间的主要差异是：磁的主要差异是：磁录录音机音机为为声声-电电-磁之磁之间间的的转换转换，而磁，而磁录录像机像机为为光光-电电-磁之磁之间间的的转换转换，正像收音机与，正像收音机与电视电视机之机之间间的差异。的差异。4.6.4 4.6.4 磁在新型汽车中的应用磁在新型汽车中的应用 汽车是现代的一种重要交通工具。一般汽车中使用的汽车是现代的一种重要交通工具。一般汽车中使用的电话、收音机和电视机中都要应用到多种的磁性材料和磁电话、收音机和电视机中都要应用到多种的磁性材料和磁性器件。性器件。在现代一些新型汽车中磁的应用就更加增多。
48、例如现在现代一些新型汽车中磁的应用就更加增多。例如现代一种新型家用小汽车便使用了代一种新型家用小汽车便使用了3232台小型永磁电动机，它台小型永磁电动机，它们分别应用于时钟步进电机、录音机走带机械、电子计价们分别应用于时钟步进电机、录音机走带机械、电子计价器步进电机、电控反光机、车高调整泵、自动车速调节泵、器步进电机、电控反光机、车高调整泵、自动车速调节泵、起动电机、可伸缩车前灯、车前灯冲洗器、水箱冷却风扇、起动电机、可伸缩车前灯、车前灯冲洗器、水箱冷却风扇、电容器冷却风扇、活门控制、颈部防损控制、车前灯擦净电容器冷却风扇、活门控制、颈部防损控制、车前灯擦净器、前窗冲洗器、前部擦净器、后窗冲洗
49、器、后部擦净器、器、前窗冲洗器、前部擦净器、后窗冲洗器、后部擦净器、电动车窗、油泵、汽车门锁、可调减振器、空气净化器、电动车窗、油泵、汽车门锁、可调减振器、空气净化器、后部空调器、汽车天线、遮阳车顶、大腿支撑泵、侧面支后部空调器、汽车天线、遮阳车顶、大腿支撑泵、侧面支撑泵、气动腰部支撑泵、座椅斜倚器、座椅升降器、座椅撑泵、气动腰部支撑泵、座椅斜倚器、座椅升降器、座椅移动器、真空泵、空气调节器、室温传感器、暖风机。移动器、真空泵、空气调节器、室温传感器、暖风机。除上述的几种家用电器需要使用多种的磁除上述的几种家用电器需要使用多种的磁性材料和磁性器件外，还有许多家用电器也要性材料和磁性器件外，还有
50、许多家用电器也要应用到磁，例如，电冰箱中的磁门封条和电动应用到磁，例如，电冰箱中的磁门封条和电动机，洗衣机、空调器、除尘器和电唱机中用的机，洗衣机、空调器、除尘器和电唱机中用的电动机，微波炉中用的磁控管，电门铃中用的电动机，微波炉中用的磁控管，电门铃中用的电磁继电器，电子钟表中用的小型微型电动机电磁继电器，电子钟表中用的小型微型电动机等。可以看出，现代生活离不开磁。等。可以看出，现代生活离不开磁。4.6.5 4.6.5 磁在发电机和电动机中的应用磁在发电机和电动机中的应用 我们生活在电气化时代。但是电能是如何得到的？我们生活在电气化时代。但是电能是如何得到的？一般说来，电能是从其他能量如热能、