大学物理课件清华-磁学2

1、 5 磁通量 磁场的高斯定理一、磁感应线：1. 满足 其上任一点的方向都与该点磁场方向一致。 其分布疏密表示了磁感应强度的大小。规定：2. 磁感应线的特点： 任一条磁感应线都是环绕电流的无头无尾的闭合曲线。即：磁感应线与电流相互套合(右手)涡旋场 同一磁场的磁感应线在空间不会相交。I直线电流的磁感线圆电流的磁感线I通电螺线管的磁感线V3均匀磁场：非均匀磁场：1. 单位：韦伯2. 标量3. 对于封闭曲面，规定外法线方向为面积矢量的正向。磁感线穿出曲面时，m 0磁感线穿入曲面时，m 0 ;回路环向与电流方向成左手螺旋关系时，I R ，则有：若r R ，则有：若r R ，则有：面电荷分布时：体电荷分

2、布时：结论无限长载流圆柱导体长直载流圆柱面V3例：真空中电流I=20A ，流过半径 R2=0.05m 的金属圆柱形薄筒， 再从放在圆筒轴线处的细导线流回。已知：导线半径 R1=0.001m ，筒长 L=20m 。 求：筒中距轴线 r=0.02m 处 P 点的磁感应强度的大小； 筒外距轴线 r=0.10m 处 Q 点的磁感应强度的大小。解：以r=0.02m为半径，过P点绕轴作圆形环路:以r=0.10m为半径，过Q点绕轴作圆形环路:7 磁场对运动电荷的作用一、洛仑兹力：1. 定义：运动电荷在磁场中所受的磁场力受力运动电荷为正电荷时，受力运动电荷为负电荷时，2. 特点：磁力(洛仑兹力) 对运动带电粒

3、子所做功恒等于零。二、带电粒子在磁场中的运动：1. 带电粒子在均匀磁场中的运动：则定义：磁感应强度 大小： 方向： 小磁针受磁力自然静止时N向 单位： T(特斯拉) 二、磁感应强度 运动电荷q，速度 电荷q所受磁力： 磁力大小： 当速度方向磁场方向时：F=0； 当速度方向磁场方向时，F=max 对于磁场中同一点， 同时: 二、带电粒子在磁场中的运动：1. 带电粒子在均匀磁场中的运动：粒子进入磁场后作匀直运动。粒子做匀速圆周运动轨道半径：轨道周期：V3平行磁场方向的匀直运动垂直磁场方向的匀圆运动合运动 绕磁感线的螺旋运动，且：螺旋半径R：螺距d：V3应用：实现电子显微镜中的磁透镜聚焦。电子束A点

4、处有一限制膜，其作用是使各入射电子的水平分速度都相等。因此各电子的运动螺距为：d经过一个周期后，全部电子又汇聚于A点 磁聚焦 作用在运动电荷上的磁场对运动电荷的作用类似透镜对光的作用 磁透镜V32. 带电粒子在非均匀磁场中的运动： 磁镜（磁塞效应）：带电粒子在磁场中绕磁感线所作的螺旋运动半径：非均匀磁场中：带电粒子向强磁场方向运动时，螺旋半径将不断减小。带电粒子所受洛伦兹力fm ，恒有一指向磁场较弱方向的分力f ，分力 f 的作用使粒子向强磁场方向的运动受到抑制， 使粒子可能沿磁场方向的分速度减小直至为零，而后反向运动。磁镜效应或磁塞效应 磁约束： 将磁镜效应用于受控热核反应中。等离子体 极光

5、：宇宙空间的磁约束现象。 地磁场磁感线如图，是一个天然的“磁镜捕集器” V3 当来自外层空间的大量带电粒子进入地磁场影响范围后，被地磁场捕获，将绕地磁感应线作螺旋运动。地轴 在近两极处地磁场增强，相当于两个磁镜，故：作螺旋运动的粒子被折回， 结果沿磁感线来回振荡形成范艾仑辐射带。 范艾仑辐射带相对于地轴对称分布，且在距地表几千公里和两万公里的高空有内外两层。 当太阳黑子活动引起宇宙中高能粒子剧增，这些高能粒子在地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气层使是大气激发，然后辐射发光，从而引起美妙的北极光。三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例：电荷运动空间同时存在电场和磁场：当粒子的运动速率 Vc

6、时，满足牛二律：(一) 霍尔效应:1. 什么是霍尔效应：霍尔电压UH ，霍尔电场2. 规律： d为薄板沿外磁场方向的厚度。RH 称为霍尔系数，仅与薄板的材料有关。3. 微观解释：载流子：形成电流的运动电荷。 霍尔效应是导电薄板中的载流子在磁场中受洛仑兹力作用而发生横向漂移的结果。设载流子为正电荷，V外加磁场方向如图，载流子所受磁场力：则在导电板两侧出现电荷积累，+结果在其内部出现一个横向附加电场霍尔电场此附加电场给载流子施加一电场力：反向平衡时：平衡时： 当载流子为负电荷时，有相同的现象发生：V+4. 应用： 测定B、I 已知载流子的浓度，测定半导体类型。n型半导体载流子为电子，p型半导体载流

7、子为带正电的空穴。 已知半导体类型，测定其载流子浓度。 用于自动控制、计算机等方面。eg. 测量交直流电路中的电流和功率。九十年代，发现量子霍耳效应 即当B、b、d、n为常数时，曲线 UHI 出现台阶，而不为线性关系.理论上用量子力学解释不够。分数量子霍耳效应与分数电荷的存在与否有关。获1986年诺贝尔物理学奖.5. 导电流体中的霍尔效应：是目前正在研究的“磁流体发电”的基本原理。+导电气体电极(二) 电子比荷( e/m )的测定：J.J.汤姆逊1906年诺贝尔物理学奖(三)质谱仪* 滤速器: 若每个离子所带电量相等，由谱线的位置（x 的大小）可以确定同位素的质量。由感光片上谱线的黑度，可以确

8、定同位素的相对含量。* 质谱分析仪：+V3质量为 m ，电量为 q 的带电粒子经过滤速器后，飞入磁场B0 中做圆周运动，落在感光片A 处，其半径R为：(四) 回旋加速器：R 为盒的最大半径。 交变电场的周期恰好为回旋一周的周期时，即粒子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，所以可被反复加速，最后用致偏电极将其引出。NSD1D2 密封在真空中的两个金属盒（D1和D2）放在电磁铁两极间的强大磁场中，如图所示两盒之间有一窄缝，中心附近放有离子源。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。1939年诺贝尔物理学奖(五) 同步回旋加速器加速的粒子能量，每十年提高一个数量级。能量范围在0.08Mev5105Mev. 能量的每次提高都带来对粒子的新发现。如1983年发现W、W、Z0粒子。因为相对论效应，当粒子速率很大时，质量变大，所以，交变电场的周期应该同步的增大，才能恰好与回旋一周的周