磁场对载流导体作用.ppt

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1、关于磁场对载流导体的作用第一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月电流强度的单位电流强度的单位“安培安培”的定义的定义 n一恒定电流，若保持在处于真空中相距一恒定电流，若保持在处于真空中相距1 1m的两无限长、而圆截面可忽略的平行直导的两无限长、而圆截面可忽略的平行直导线内，则在此两导线之间产生的力在每米线内，则在此两导线之间产生的力在每米长度上等于长度上等于2 2 10107 7N，则导线中的电流强，则导线中的电流强度定义为度定义为1A（p117）n与与P91的定义等价，但的定义等价，但注意两个定义表述上注意两个定义表述上的区别的区别 第二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月例例

2、如图所示，一根弯曲的刚性导线如图所示，一根弯曲的刚性导线 载载有电流有电流 ，导线放在磁感应强度为，导线放在磁感应强度为 的均匀磁的均匀磁场中，场中，的方向垂直纸面向外，设的方向垂直纸面向外，设 部分是半部分是半径为径为 的半圆，的半圆，求该导线所受的求该导线所受的合力合力 第三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月解解 根据安培定理，根据安培定理，、两段所受安培力的大小两段所受安培力的大小为为 ，方向都向下，方向都向下 在在 段上任取一电流元，它所受安培力的大段上任取一电流元，它所受安培力的大小为小为 第四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月的方向向下的方向向下 第五张，PPT共二

3、十八页，创作于2022年6月5.3矩形载流线圈在均匀磁场中所受力矩形载流线圈在均匀磁场中所受力矩矩n在均匀磁场中在均匀磁场中n刚性矩形线圈刚性矩形线圈不发生形变；不发生形变；n合力合力=0=0，合力矩？合力矩？磁矩磁矩 m第六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月5.4 载流线圈的载流线圈的磁矩磁矩n在均匀磁场中在均匀磁场中n任意形状线圈任意形状线圈n将线圈分割成若干个小窄条将线圈分割成若干个小窄条n小线圈所受力矩小线圈所受力矩 dLdL 总力矩总力矩n若线圈平面与磁场成任意角度，则可将若线圈平面与磁场成任意角度，则可将B B分解成分解成第七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月结论结

4、论：n线圈的磁矩线圈的磁矩n所受的力矩所受的力矩 磁矩的方向磁矩的方向第八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月5.5 磁偶极子与载流线圈的等价性磁偶极子与载流线圈的等价性(略略)5.6 直流电动机的原理直流电动机的原理(略略)5.7 电流计线圈所受磁偏转力矩电流计线圈所受磁偏转力矩(略略)第九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6 6 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动n实验证明：运动电荷在磁实验证明：运动电荷在磁场中受力场中受力 n洛仑兹力做功吗？洛仑兹力做功吗？n洛仑兹力与安培力的关系？洛仑兹力与安培力的关系？6.16.1洛仑兹力洛仑兹力例:P125第十张，PPT共二

5、十八页，创作于2022年6月6.2 6.2 洛仑兹力与安培力的关系洛仑兹力与安培力的关系 n电子数密度为电子数密度为n，漂移速度，漂移速度undl内内总电子数为总电子数为N=nSdl，n每个电子受洛仑兹力每个电子受洛仑兹力fnN个电子所受合力个电子所受合力总总和是安培力和是安培力吗吗?n洛伦兹力洛伦兹力f 作用作用在金属内的电子上在金属内的电子上n安培力安培力 作用作用在导体金属上在导体金属上作用在不同作用在不同的对象上的对象上n自自由由电电子子受受力力后后，不不会会越越出出金金属属导导线线，而而是是将将获获得得的冲量的冲量传递传递给金属晶格骨架，使骨架受到力给金属晶格骨架，使骨架受到力 第十

6、一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月证明：证明：骨架受到的骨架受到的冲力冲力电子受洛仑兹力电子受洛仑兹力的合力的合力n先说明导线中自由电子与宏观电流先说明导线中自由电子与宏观电流I I的关系的关系n自由电子做定向运动，漂移速度自由电子做定向运动，漂移速度u，电子数密度为电子数密度为nn电流强度电流强度I：单位时间内通过单位面积的电量：单位时间内通过单位面积的电量n则则在在t时时间间内内，通通过过导导体体内内任任一一面面元元S迁迁移移的的电电量量为为电流电流j电流密电流密度度第十二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月nN个电子所受合力个电子所受合力总总和和大小大小I n传传递递机机

7、制制可可以以有有多多种种，但但最最终终达达到到稳稳恒恒状状态态时时，如如图图导导体体内内将将建建立立起起一一个个大大小小相相等等方方向相反的向相反的横向电场横向电场E（霍尔场）（霍尔场）n电子受力：洛伦兹力电子受力：洛伦兹力f ，n E的作用力的作用力fn带正电的晶格在电场中受到带正电的晶格在电场中受到f nf与电子所受洛伦兹力与电子所受洛伦兹力f方向相同方向相同 n安培力是晶格所带电荷受力安培力是晶格所带电荷受力f的的总和总和 结结论论：安安培培力力是是电电子子所所受受洛洛伦伦兹兹力的宏观表现力的宏观表现(问题：这一过程是否与洛仑兹力不作功相矛盾？问题：这一过程是否与洛仑兹力不作功相矛盾？)

8、第十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月洛仑兹力洛仑兹力 2.时时1.时时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 第十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 回回旋旋周周期期或或回回旋旋频频率率与与带带电电粒粒子子的的速速率率及及回回旋旋半半径无关径无关第十五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月3.螺旋线的半径螺旋线的半径分解为分解为和和第十六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月回旋周期回旋周期 螺距螺距 从磁场中某点从磁场中某点 发射一束很窄的带电粒子发射一束很窄的带电粒子流，它们的速率流，它们的速率 都很相近，且与都很相近，且与 的夹角的夹角 都很小

9、，尽管都很小，尽管 会使各个粒子沿会使各个粒子沿不同半径的螺旋线运动，但是不同半径的螺旋线运动，但是 却近似相等，因此的螺距却近似相等，因此的螺距 也近似相等，所以也近似相等，所以各个粒子经过距离各个粒子经过距离 后又会重新会聚在一起，后又会重新会聚在一起，称之为磁聚焦称之为磁聚焦 第十七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月螺距螺距第十八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月荷质比的测定荷质比的测定:汤姆孙法测荷质比磁聚焦法测荷质比第十九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月交变电场的周期交变电场的周期离子的最终速率离子的最终速率离子的动能离子的动能回旋加速器回旋加速器:回旋加速

10、器的基本原理就是利用回旋频率回旋加速器的基本原理就是利用回旋频率与粒子速度无关的性质与粒子速度无关的性质回旋半径回旋半径第二十张，PPT共二十八页，创作于2022年6月霍耳效应霍耳效应n原理：带电粒子在磁场中运动原理：带电粒子在磁场中运动n样品：样品：导体导体或或半导体半导体长方形样品长方形样品 n 载流子：带正电如图载流子：带正电如图a an 载流子：带负电如图载流子：带负电如图b bn实验表明：实验表明：Hall系数系数 E E 第二十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月Hall系数系数 n带电粒子受带电粒子受力平衡时力平衡时K取决于载流子浓度和带电的正、取决于载流子浓度和带电的正

11、、负，可正、可负，负，可正、可负，第二十二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月霍尔效应的应用霍尔效应的应用n霍耳系数霍耳系数K与导体中的载梳子浓度与导体中的载梳子浓度n成反比成反比n金属导体的载流子浓度金属导体的载流子浓度n 大大K和和UH 小小n半导体的载流子浓度半导体的载流子浓度 n 小小K和和UH 大大n判定判定半导体的导电类型半导体的导电类型 、测定测定载流子浓度载流子浓度 n利用半导体材料制成利用半导体材料制成霍耳元件霍耳元件得到广泛的应用得到广泛的应用n霍耳元件具有结构简单而牢靠、使用方便、成本低廉等优点，霍耳元件具有结构简单而牢靠、使用方便、成本低廉等优点，所以它在实际中将

12、得到越来越普遍的应用。所以它在实际中将得到越来越普遍的应用。n测量磁场（恒定、非恒定）测量磁场（恒定、非恒定）n测量直流或交流电路中的电流强度和功率测量直流或交流电路中的电流强度和功率 n转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制；放大转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制；放大直流或交流信号等直流或交流信号等 第二十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月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n如图正带电粒子处于磁感应线所在位置如图正带电粒子处于磁感应线所在位置，v B；n此时，粒子受洛仑兹力此时，粒子受洛仑兹力F B，F=F|+F nF 提供向心力

13、，提供向心力，F|指向磁场减弱的方向指向磁场减弱的方向n粒子也将作粒子也将作螺旋运动螺旋运动，但，但并非等螺距并非等螺距，回旋半径也会改，回旋半径也会改变变回旋半径因回旋半径因磁场增强而磁场增强而减小，同时，减小，同时，还受到指向还受到指向磁场减弱方磁场减弱方向的作用力向的作用力回旋半径因回旋半径因磁场减弱而磁场减弱而增大，同时，增大，同时，还受到指向还受到指向磁场减弱方磁场减弱方向的作用力向的作用力v B第二十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月应用举例应用举例n磁镜磁镜 粒子在强磁场区受到指向弱磁场方向大力，向弱磁场方向粒子在强磁场区受到指向弱磁场方向大力，向弱磁场方向运动运动“反

14、射反射”到中央，被约束在到中央，被约束在两镜之间两镜之间洛仑兹力不做功，洛仑兹力不做功，W也不变也不变受指向弱磁场方受指向弱磁场方向的力向的力可以证明:在梯度不太大的非均匀磁场中,带电粒子的磁矩M是个不变量.第二十五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月地磁场地磁场天然的磁镜捕集器天然的磁镜捕集器n范范.阿阿伦伦辐辐射射带带由由地地磁磁场场所所俘俘获获的的带带电电粒子（绝大部分为质子核电子）组成粒子（绝大部分为质子核电子）组成第二十六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月等离子体磁约束等离子体磁约束 n等离子体：部分或完全电离的气体。等离子体：部分或完全电离的气体。n特点：由大量特点：

15、由大量自由电子自由电子和和正离子正离子及中性原子、分子及中性原子、分子组成，宏观上近似中性，即所含组成，宏观上近似中性，即所含正负电荷数处处正负电荷数处处相等相等。n带电粒子在磁场中沿螺旋线运动带电粒子在磁场中沿螺旋线运动与与B成成反比反比n强强磁磁场场中中，每每个个带带电电粒粒子子的的活活动动被被约约束束在在一一根根磁磁力力线线上上，此此时时，带带电电粒粒子子回回旋旋中中心心（引引导导中中心心）只只能能沿沿磁磁感感应应线线作纵向运动，不能横越。作纵向运动，不能横越。磁约束磁约束n例：受控热核反应例：受控热核反应托克马克、磁镜托克马克、磁镜第二十七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月感谢大家观看第二十八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月