大学物理八章4

§8-5带电粒子在电场和磁场中的运动+一、洛仑兹力说明：1、洛仑兹力F的方向垂直于v和B所确定的平面。2、洛仑兹力F不能改变带电粒子速度v的大小，只能改变其运动方向。二、带电粒子在均匀磁场中的运动三、带电粒子在不均匀磁场中的运动粒子沿磁场增大方向速度减小，垂直磁场方向速度增加。电动力学证明：若磁场变化不剧烈，做螺旋运动的带电粒子，其磁矩大小不变变大R变小变小带电粒子在不均匀磁场中的运动磁镜磁约束托卡马克装置原理示意图托卡马克装置剖面结构和工作时内部状态（上）示意图托卡马克装置环型容器内部实景非均匀磁场的应用：范•艾伦（VanAllen）辐射带包围地球外围的范艾仑辐射带1958年人造卫星的探测发现,,范艾仑辐射带有两层,内层在距地面800-4000Km处,外层在60000Km处。....................+-AA’K+dL..................................................................................................四、带电粒子在电磁场中运动的应用1、速度选择器速度选择器2、回旋加速器1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.回旋加速器原理图NSBO~N真空室接高频电源

离子源D型盒引出离子束

回旋加速器一般用来加速质量较大的带电粒子。下图为世界最大的回旋加速器内部情况。我国于1994年建成的第一台强流质子加速器，可产生数十种中短寿命放射性同位素.3、质谱仪7072737476锗的质谱...................................................................+-速度选择器照相底片质谱仪的示意图4.霍耳（E.C.Hall)效应霍耳霍耳效应bd

1879年，霍耳（E.H.Hall）发现，把一载流导体放在磁场中时，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势差。这一现象称为“霍耳效应”，这电势差称为“霍耳电势差”。+++++++++++++++-------------------

V1V2II（RH称为霍耳系数）xyzdbII+++++++++++++----------------

V1V2

U-v动态平衡时：令：RH=称为“霍耳系数”

霍耳系数RH与电荷密度n成反比。在金属中，由于电荷密度很大，因此霍耳系数很小，相应霍耳效应也很弱。而在一般半导体中，电荷密度n较小，因此霍耳效应也较明显。------------------++++++++++++++++

V1V2II+++++++++++++++-------------------

V1V2II1、判断下列半导体类型P型半导体（定向运动的电荷为正电荷）N型半导体（定向运动的电荷为负电荷）霍耳效应的应用+2、测磁感应强度3、测n4、磁流体发电+++++++++++++++-------------------

V1V2U+-等离子体理论曲线

量子霍耳效应B崔琦、施特默：更强磁场下

克里青：半导体在低温强磁场m=1、2、3、…

1985年诺贝尔物理奖

1998年诺贝尔物理奖实验曲线量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计新一代大规模集成电路和元器件，将会具有极低的能耗。反常霍尔效应1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。2013年3月16日凌晨，由清华大学薛其坤院士领衔的团队量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。”反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。量子反常霍尔效应在发现反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。§8-6磁场对载流导线的作用演示实验：在两根平行金属道轨上放一导体棒，导体棒位于马蹄形磁铁之间；而在轨道的两端接一电源与导体棒构成回路。当合上电源开关后……。SNISI一、安培定律设：离子数密度n电流元截面积S电流元中的电子数nSdl作用在电流元上的作用力：洛仑兹力：-（导体）安培力：

磁场对电流的作用力安培定律：对电流元Idl在磁场B中所受的作用力为磁场对载流导线的作用力：电流强度：SI-二、载流导体在磁场中的受力磁场外加磁场自身磁场1.自身磁场a、直导线b、线圈IF2.外加磁场由安培定则a、载流直导线例1、计算长为L的载流直导线在均匀磁场B中所受的力。解：I由安培定律：方向：方向：IrxI1I2例2、无限长直载流导线通有电流I1，在同一平面内有长为L的载流直导线，通有电流I2。（如图所示）求：长为L的导线所受的磁场力。dxxl解：dl由安培定律：ABCo根据对称性分析解例1

如图一通有电流的导线放在磁感应强度为的均匀磁场中，导线平面与磁感强度垂直.圆弧导线BCA半径为，电流为顺时针方向,求磁场作用于导线的力.ACoB因Iabb、任意一段载流导线结论：弯曲导线所受磁力等效于通有相同电流的从起点到末点的直导线所受到的力I例1例2、半径为R的铜丝环，载有电流I。现把圆环放在均匀磁场中，环平面与磁场垂直。求（1）圆环受到的合力。（2）铜丝内部的张力。解：（1）Ioxy

ddldFxdFy由安培定律：结论：匀强磁场对闭合载流导线的作用合力为零Ioxy

ddldFxdFy（2）铜丝内部的张力。Il1结论：IIIIbl2acdc、载流线圈线圈所受合力为零l1IIIIbnl2acd磁力矩：l1其中S=l1l2为线圈平面的面积注：上式虽是从矩形闭合载流线圈推出，但适合于任意形状的闭合载流线圈。N匝线圈的磁力矩：l1IIIIbnl2acd线圈的磁矩：载流线圈在磁场中受到的磁力矩：讨论：（1）=0时，M=0。（2）=90时，M=Mmax=NBIS（3）=180时，M=0IS例2如图半径为0.20m，电流为20A的圆形载流线圈（o-xy面内）放在均匀磁场中，磁感应强度的大小为0.08T，方向沿x轴正向.线圈所受的磁力矩又为多少？IRQJKPo以为轴，所受磁力矩大小法一法二二磁电式电流计原理实验测定

游丝的反抗力矩与线圈转过的角度成