磁场对电荷电流的作用精选PPT.ppt

磁场对电荷电流的作用第1页，此课件共43页哦洛伦兹力：洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的磁场力。运动电荷在磁场中受到的磁场力。设：运动电荷设：运动电荷q以以v的速度进入一均匀磁场。的速度进入一均匀磁场。当当q沿磁场方向运动时，沿磁场方向运动时，F=0当当q垂直于磁场方向运动时，垂直于磁场方向运动时，F=Fmax=qvBPq当当q以以的角度进入磁场时，的角度进入磁场时，方向：方向：记记洛伦兹力的数学表达式洛伦兹力的数学表达式10.4.1 洛伦兹力洛伦兹力第2页，此课件共43页哦 当运动电荷在电磁场中运动时，受到的电磁力为当运动电荷在电磁场中运动时，受到的电磁力为-e电子束电子束例：例：当当时，时，只有满足上式速率的电子，才能通过狭缝。只有满足上式速率的电子，才能通过狭缝。速率选择器速率选择器电子束作直线运动，若安装狭缝电子束作直线运动，若安装狭缝S1、S2。该装置称为该装置称为速率选择器。速率选择器。例：电子荷质比的测定例：电子荷质比的测定经过速率选择器的电子束进入均匀磁场经过速率选择器的电子束进入均匀磁场B0。S1S2第3页，此课件共43页哦质谱仪：质谱仪：q某元素某元素速率选择器速率选择器R不同的半经，对应不同的质量。不同的半经，对应不同的质量。说明：说明：同一种元素中具有不同的质量，同一种元素中具有不同的质量，不同质量的不同质量的元素称为元素称为同位素。同位素。（阿斯顿）（阿斯顿）第4页，此课件共43页哦倍恩勃立奇倍恩勃立奇(Bainbridge)质谱仪质谱仪狭缝狭缝偏转板偏转板照相底片照相底片离子源离子源.+BR匀强磁场匀强磁场粒子径迹粒子径迹速度选择器速度选择器第5页，此课件共43页哦（1）10.4.2 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动1.带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动Fnqv0BRo根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律轨道半经轨道半经周期周期第6页，此课件共43页哦螺距螺距 h：q qBR（2）当入射角当入射角很小时，很小时，磁聚焦磁聚焦成成角角-第7页，此课件共43页哦10.4.3 10.4.3 带电粒子在电场和磁场中运动的应用带电粒子在电场和磁场中运动的应用 -磁聚焦、磁约束磁聚焦、磁约束1、磁聚焦、磁聚焦 U阴阴极极控制极控制极阳极阳极Bnh电子显微镜中的电子显微镜中的“磁透镜磁透镜”就是根据磁聚焦的原理制作的。就是根据磁聚焦的原理制作的。第8页，此课件共43页哦线圈线圈线圈线圈B2 2、磁磁约约束束装装置置高高温温等等离离子子体体磁磁 塞塞第9页，此课件共43页哦FxFyFB 带电粒子在非匀强磁场中的运动带电粒子在非匀强磁场中的运动 粒子受到一个与水平运动方向相反的力粒子受到一个与水平运动方向相反的力Fx的作用的作用,在该力作用下在该力作用下水水平方向速度越来越来小，平方向速度越来越来小，当水平速度等于零时，向前运动停止。后当水平速度等于零时，向前运动停止。后在在Fx的作用下，沿相反方向加速运动，形成来回振荡。的作用下，沿相反方向加速运动，形成来回振荡。第10页，此课件共43页哦地磁场的磁感应线地磁场的磁感应线第11页，此课件共43页哦范范艾艾仑仑(J.A.Van Allen)辐辐射射带带 宇宙带电粒子、射线被地球磁场俘获并在范艾仑辐射带宇宙带电粒子、射线被地球磁场俘获并在范艾仑辐射带内作螺旋式来回振荡运动。内作螺旋式来回振荡运动。极光极光遇到扰动遇到扰动地地轴轴B增增大大SN北极北极南极南极第12页，此课件共43页哦第13页，此课件共43页哦第14页，此课件共43页哦第15页，此课件共43页哦第16页，此课件共43页哦 U阴阴极极控制极控制极阳极阳极Bl调节调节B,使值使值(n n为正整数为正整数)3、电子荷质比的测定、电子荷质比的测定第17页，此课件共43页哦带电粒子束带电粒子束N线圈线圈S铁铁芯芯接振荡器接振荡器10.4.4 电子回旋加速器电子回旋加速器环形环形真空室真空室E第18页，此课件共43页哦回旋加速器真空室示意图束流线束流线高压高压电源电源真空泵真空泵测量电容测量电容离子源离子源束流束流探测器探测器D形形电极电极真空室真空室 静电静电偏转板偏转板微调微调电容电容四极四极透镜透镜 束流束流探测器探测器第19页，此课件共43页哦E.O.劳伦斯劳伦斯(1901-1957)设计的设计的 世界上第一台回旋加速器世界上第一台回旋加速器第20页，此课件共43页哦中国第一台回旋加速器第21页，此课件共43页哦 中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所 90Mev加速器加速器第22页，此课件共43页哦 如图在匀强磁场中通电的金属导体板的上下表面出现横向电势差，如图在匀强磁场中通电的金属导体板的上下表面出现横向电势差，这一现象称为这一现象称为霍耳效应霍耳效应霍耳效应霍耳效应。实验指出：实验指出：霍耳系数，它是与材料性质有关的常数霍耳系数，它是与材料性质有关的常数10.4.5 10.4.5 霍耳效应霍耳效应1879年霍耳年霍耳（A.H.Hall）发现：发现：理论解释理论解释IB+abUH第23页，此课件共43页哦I经典电子论对霍耳效应的解释经典电子论对霍耳效应的解释n电子数密度电子数密度a+V当当时，时，导体上下表面形成一稳定导体上下表面形成一稳定电场，称为霍耳电场。电场，称为霍耳电场。fve第24页，此课件共43页哦与实验结论与实验结论比较可得金属导体的比较可得金属导体的霍耳系数：霍耳系数：对于对于 n型半导体载流子为型半导体载流子为电子电子，而，而P型半导体体载流子为带型半导体体载流子为带正电的正电的空穴空穴。根据霍耳系数的符号可以确定半导体的类型，根据。根据霍耳系数的符号可以确定半导体的类型，根据霍耳系数大小的测定，可以确定载流子的浓度。霍耳系数大小的测定，可以确定载流子的浓度。可制作成霍耳元件，可制作成霍耳元件，测量电流测量电流I，磁场，磁场B。若载流子为带正电若载流子为带正电q的空穴的空穴,则则霍耳系数为：霍耳系数为：第25页，此课件共43页哦金属金属 实验值实验值(1011m3/C)计算值计算值(1011m3/C)锂锂(Li)-17.0 -13.1 钠钠(Na)-25.0 -24.4钾钾(K)-42 -47铯铯(Cs)-78 -73铜铜(Cu)-5.5 -7.4铍铍(Be)+24.4 -2.5锌锌(Zn)+3.3 -4.6镉镉(Cd)+6.0 -6.5霍耳系数霍耳系数 实验值和计算值的差别是由于经典理论的缺陷，只有量实验值和计算值的差别是由于经典理论的缺陷，只有量子理论才能解决这一问题。子理论才能解决这一问题。第26页，此课件共43页哦磁流体发电原理图磁流体发电原理图磁流体发电，效率可达磁流体发电，效率可达55%6、磁流体发电（、磁流体发电（MHD）(Magnetohydrodynamics)磁体磁体磁场线方向磁场线方向高温高温高速高速等离子气体等离子气体燃烧器燃烧器SN第27页，此课件共43页哦10.4.6 安培定律安培定律（1）安培力：）安培力：载流导线在磁场中所受的磁场力。载流导线在磁场中所受的磁场力。电流元电流元 在磁场中所受的磁场力。在磁场中所受的磁场力。Iq+Bq+I+B安培力的微观解释：安培力的微观解释：载流子所受洛仑兹力的总载流子所受洛仑兹力的总和和（2）安培定律：）安培定律：一个载流子所受洛仑兹力一个载流子所受洛仑兹力电流元电流元所包含的载流子的个数所包含的载流子的个数安培定律数学表达式安培定律数学表达式记记第28页，此课件共43页哦dF dlIBdFB dlIIIa大小：大小：方向：方向：的方向的方向（3）任意载流导线在磁场）任意载流导线在磁场中所受的安培力中所受的安培力第29页，此课件共43页哦例例1 有一半径为有一半径为R 的半圆形导线的半圆形导线ab，通有电流，通有电流 I，它处于一磁，它处于一磁感应强度为感应强度为B 的匀强磁场的匀强磁场 之中。求：安培力。之中。求：安培力。BdFyxo解：解：建如图坐标系建如图坐标系取电流元取电流元根据安培定律根据安培定律大小：大小：根据对称性根据对称性方向：方向：Fx=0如图如图RIabd dlI若连接若连接ab,会得到什么信息？会得到什么信息？第30页，此课件共43页哦 例例22 求一无限长直载流导线的磁场对另一直载流导线求一无限长直载流导线的磁场对另一直载流导线CDCD的作的作用力。用力。已知：已知：I1ab解：解：在距在距I1 为为l 处取电流元处取电流元I2dl根据安培定理根据安培定理CDl第31页，此课件共43页哦例例10-6 无限长载流直导线与一块无限长薄导体板构成闭合回路。导体板宽无限长载流直导线与一块无限长薄导体板构成闭合回路。导体板宽为为a，二者相距也是，二者相距也是a。导线和板在同一平面内，则导线与导体板间单位长度上。导线和板在同一平面内，则导线与导体板间单位长度上的作用力为多少？的作用力为多少？Ia2adxxyxoI解法一解法一:求：导体板单位长度上受的力求：导体板单位长度上受的力在距在距I为为x处取宽度为处取宽度为dx的线电流的线电流dI2 导体板单位宽度上分布的电流密度为导体板单位宽度上分布的电流密度为电流元电流元dI2dy所受的力的所受的力的方向：沿方向：沿X轴正向轴正向dI2 dy在线电流在线电流dI2上取电流元上取电流元dI2dy大小为大小为:无限长载流直导线无限长载流直导线I在其周围所产生的磁场为在其周围所产生的磁场为解解:第32页，此课件共43页哦相互作用力为是斥力相互作用力为是斥力dy长度的载流板所受的安培力为：长度的载流板所受的安培力为：单位长度的载流板所受的安培力为：单位长度的载流板所受的安培力为：Ia2adxxyxoIdI2 dy第33页，此课件共43页哦解法二解法二：导线导线 I I 单位长度上受的力单位长度上受的力先求出载流薄导体板在导线处产生的磁感应强度。先求出载流薄导体板在导线处产生的磁感应强度。将载流导体板看成无限多个长直电流所组成。将载流导体板看成无限多个长直电流所组成。Iyxa2axdxoI线线电流电流dIdI在在载流载流导线处的磁场强度为导线处的磁场强度为所以导线所以导线 I 单位长度受的力为：单位长度受的力为：根据安培定理根据安培定理Idl在线电流在线电流I上取电流元上取电流元Idl在距在距I为为x处取宽度为处取宽度为dx的线电流的线电流dI第34页，此课件共43页哦1I2II1dl110.4.7 10.4.7 平行载流导线的相互作用力平行载流导线的相互作用力 电流单位电流单位“安培安培”的定义的定义d单位长度上所受的安培力为单位长度上所受的安培力为同理同理第35页，此课件共43页哦 由上面得到单位长度导线的作用力为：由上面得到单位长度导线的作用力为：在真空中相距在真空中相距 1m的两无限长彼此平行的直导线，通有相同的的两无限长彼此平行的直导线，通有相同的电流，若每米导线上的相互作用力等于电流，若每米导线上的相互作用力等于210-7N，则导线上所通的，则导线上所通的电流，定义为电流，定义为1安培。安培。电流单位电流单位“安培安培”的定义的定义即即记记第36页，此课件共43页哦1l2lB10.4.8 磁场对载流线圈的作用磁场对载流线圈的作用IIII根据安培定律：根据安培定律：F3=F4=I l1 B sin ,方向相反，且沿同一直线，相互抵消。方向相反，且沿同一直线，相互抵消。不能相互抵消，对线圈有一力矩的作用，称为磁力矩。不能相互抵消，对线圈有一力矩的作用，称为磁力矩。+F2d1l.F1I虽方向相反，但不在同一直线上，所以虽方向相反，但不在同一直线上，所以第37页，此课件共43页哦磁力矩：磁力矩：方向：方向：的方向的方向大小：大小：记记说明：说明：载流线圈在均匀磁场中所受合力为零，不会发生平动。载流线圈在均匀磁场中所受合力为零，不会发生平动。但所受合力矩不为零，在力矩的作用下，产生转动。但所受合力矩不为零，在力矩的作用下，产生转动。讨论：讨论：（1）当）当=0 时，时，M=0。（2）当）当=/2时，时，M=Mmax=PmB+F2d1l.F1I第38页，此课件共43页哦磁铁面板前游丝线圈后游丝+芯铁极靴指针磁电式电流计磁电式电流计第39页，此课件共43页哦例：例：10-7 半径为半径为R的均匀带电圆盘，电荷密度为的均匀带电圆盘，电荷密度为，现以角速度，现以角速度绕垂直于盘绕垂直于盘面的中心轴旋转，面的中心轴旋转，rdrRBAA解：解：（1）沿沿盘面在距盘面在距o点为点为r处，取宽为处，取宽为dr的圆环的圆环,此环上所带电量为此环上所带电量为盘以盘以旋转形成的电流为旋转形成的电流为求：（求：（1）盘心处产生的磁感应强度）盘心处产生的磁感应强度B0;（2）磁矩）磁矩Pm;（3）若有一外磁场）若有一外磁场B，方向与盘面平行，则外磁场作用于，方向与盘面平行，则外磁场作用于 磁盘的磁力矩磁盘的磁力矩M的大小。的大小。o圆电流在盘心处产生的磁场圆电流在盘心处产生的磁场第40页，此课件共43页哦各圆电流产生的磁场方向相同，则整个圆盘旋转时在盘心产生的磁场各圆电流产生的磁场方向相同，则整个圆盘旋转时在盘心产生的磁场（2）圆电流的磁矩圆电流的磁矩各圆电流的磁矩方向相同，则整个圆盘的磁矩各圆电流的磁矩方向相同，则整个圆盘的磁矩（3）圆电流圆电流di在外磁场中所受的磁力矩在外磁场中所受的磁力矩各圆电流所受的磁力矩方向相同，则整个圆盘所受的磁力矩为各圆电流所受的磁力矩方向相同，则整个圆盘所受的磁力矩为或或作业：作业：10-8 10-10 10-12 10-13rdrRBAAo第41页，此课件共43页哦vIqdcabLi 在平板两侧等距离处，所产生的磁感应强在平板两侧等距离处，所产生的磁感应强度大小相等，方向相反；垂直于电流且与板平度大小相等，方向相反；垂直于电流且与板平行。行。根据安培环路定理根据安培环路定理P223习题习题7-38i0i1解：对称性分析解：对称性分析取对称矩形取对称矩形abcda为闭合回路，为闭合回路，均匀磁场均匀磁场第42页，此课件共43页哦运动电荷在洛仑兹力的作用下，将在竖直平面内作圆周运动。运动电荷在洛仑兹力的作用下，将在竖直平面内作圆周运动。R 也是不与平板相碰的最小距离。也是不与平板相碰的最小距离。经一个周期经一个周期T回到初始位置。回到初始位置。ROvq回转半径为回转半径为第43页，此课件共43页哦