磁场对运动电荷和载流导线的作用资料.ppt

第三部分电磁学 第6 8章 第六章静电场 第七章稳恒磁场 第八章电磁感应 LuoYilinDepartmentofPhysics STUApril 2010Email ylluo Howmuchbettertogetwisdomthangold tochooseunderstandingratherthansilver Proverbs16 16 得智慧胜似得金子 选聪明强如选银子 箴言 7 1磁场磁感应强度 7 2毕奥 萨伐尔定律 7 3磁场的高斯定理和安培环路定理 7 4磁场对运动电荷和载流导线的作用 7 5介质中的磁场 7 4磁场对运动电荷和载流导线的作用 7 4 1带电粒子在磁场中的运动 7 4 2霍耳效应 7 4 3回旋加速器 7 4 4安培定律 7 4 5均匀磁场对载流线圈的作用 电场力 磁场力 洛仑兹力 运动电荷在电场和磁场中受的力 方向 即以右手四指由经小于的角弯向 拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向 洛伦兹关系式 7 4 1带电粒子在电场和磁场中的运动 讨论 1 洛仑兹力作不作功 2 负电荷所受的洛仑兹力方向 1 2 带电粒子在磁场中运动举例 1 回旋半径和回旋频率 轨道半径 周期 与v无关 2 电子的反粒子电子偶 AntiparticleElectronpair 显示正电子存在的云室照片 1930年狄拉克 1902年8月8日 1984年10月20日 预言自然界存在正电子 宇宙射线穿过云室中的铝板后所产生的带电粒子径迹照片 威耳逊云室的工作原理为 置于密封容器内的空气中含有水和酒精的饱和蒸气 使空气体积突然膨胀而降温 水和酒精蒸气达过饱和状态 这时若有微观粒子进入容器 则在其所经过的路径上使气体分子电离 过饱和蒸气就以这些离子为核心凝成雾滴而显示出粒子径迹 显示正电子存在的云室照片及其摹描图 positron 宇宙射线穿过云室中的铝板后所产生的带电粒子径迹照片 云室处于垂直纸面强磁场 3 磁聚焦 magneticfocusing 洛仑兹力不做功 洛仑兹力 与不垂直 螺距 粒子作螺旋运动 应用电子光学 电子显微镜等 磁聚焦在均匀磁场中某点A发射一束初速相差不大的带电粒子 它们的与之间的夹角不尽相同 但都较小 这些粒子沿半径不同的螺旋线运动 因螺距近似相等 都相交于屏上同一点 此现象称之为磁聚焦 螺距 7 4 2霍耳效应 霍尔于1879年在研究金属的导电性能时发现的 把通有电流的导体或半导体薄片置于垂直电流方向的磁场中 由于受到洛仑兹力的作用 载流子将向薄片侧边积累 则在垂直于电流I和磁场B的方向上出现一个电位差UH 这个现象称为霍尔效应 UH称为霍尔电压 B I UH 霍耳效应 7 4 2霍耳效应 霍耳电压 量子霍尔效应 1980年德国物理学家克利青 KlausvonKlitzing 1943 获得了1985年的诺贝尔物理学奖 霍耳电阻 美籍华裔物理学家崔琦 DanielCheeTsui 1939 和美国物理学家劳克林 RobertB Laughlin 1950 施特默 HorstL Strmer 1949 在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应 这个发现使人们对量子现象的认识更进一步 他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖 2007 量子自旋霍尔效应 被实验证实 这一成果是美国 科学 杂志评出的2007年十大科学进展之一 如果这一效应在室温下工作 它可能导致新的低功率的 自旋电子 计算设备的产生 QuantumSpinHallEffect Whentheoristsandexperimentaliststeamupinscience breakthroughshappen Thisyear ateamoftheoreticalphysicistspredictedthatmercurytelluride HgTe碲化汞 sandwichedbetweentwosemiconductingmaterialsshouldexhibitwhatisknownasthequantumspinHalleffect QSHE Whentheybeganworkingwithagroupofexperimentalphysicists thecombinedteamstarteddownthepathofprovingthisassertion ThequantumspinHalleffectwasdemonstrated butonlyattemperaturesbelow10K Ifthiscanbereproducedatroomtemperatures theeffectcouldleadtoanewgenerationoflow power spintronic computingdevices Sciencemagazine stop10breakthroughsoftheyear 2007 霍耳效应的应用 2 测量磁场 霍耳电压 1 判断半导体的类型 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 7 4 3回旋加速器 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 频率与半径无关 到半圆盒边缘时 O粒子源 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 大型强子对撞机 LargeHadronCollider LHC 位于瑞士 法国边境地下100米深的环形隧道中 隧道全长达27公里 欧洲核研究组织 CERN 的 从空中俯瞰LHC 2008年9月 日 时 分 北京时间 日 时 分 左右 大型强子对撞机项目主任林恩 埃万斯发布了启动命令 第一束质子束流被注入安装在地下 米深的 公里长环形隧道内的大型强子对撞机开始运行 内部一角 LHC的单束粒子流能量预计将达到7万亿电子伏特的设计能量 对撞将创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态类似的条件 内部一角 LHC从上世纪90年代初开始设计 它的启用将为研究宇宙起源和各种基本粒子特性提供强大武器 ATLAS是一台巨型数字照相机 能够拍摄质子间6亿次碰撞的照片 其质子对撞能量是位于美国的目前世界最大对撞机能量的7倍 Thefirstbeamwascirculatedthroughthecollideronthemorningof10September2008 On19September2008 aquenchoccurredinabout100bendingmagnetsinsectors3and4 causingalossofapproximatelysixtonnesofliquidhelium whichwasventedintothetunnel andatemperatureriseofabout100kelvininsomeoftheaffectedmagnets Vacuumconditionsinthebeampipewerealsolost 34 On30March2010 LHCsetarecordforhigh energycollisions bycollidingprotonbeamsatacombinedenergylevelof7TeV Theattemptwasthethirdthatday aftertwounsuccessfulattemptsinwhichtheprotonshadtobe dumped fromthecolliderandnewbeamshadtobeinjected 41 TheeventwasdescribedbyCERNDirectorGeneralRolfHeueras It sagreatdaytobeaparticlephysicist Accordingtoapressrelease CERNwillruntheLHCfor18 24monthswiththeobjectiveofdeliveringenoughdatatotheexperimentstomakesignificantadvancesacrossawiderangeofphysicschannels 42 http en wikipedia org wiki Large Hadron Collider 例2有一回旋加速器 他的交变电压的频率为 半圆形电极的半径为0 532m 问加速氘核所需的磁感应强度为多大 氘核所能达到的最大动能为多大 其最大速率有多大 已知氘核的质量为 电荷为 解由粒子的回旋频率公式 可得 这个速度和光速相比是比较小的 如果将电子加速到和氘核具有相同的能量 由于电子的质量远小于氘核 其速度就远大于氘核 这时必须考虑相对效应的限制 因而回旋加速器一般适用于加速质量较大的粒子 不宜用于加速电子 加速电子可利用电子感应加速器 7 4 4安培定律 一个载流子受到的洛伦兹力是 安培定律 dl中载流子数 整个导线所受的安培力 例长为的一段载流直导线放在均匀磁场中 电流的方向与之间的夹角为 求该段导线所受的安培力 解 因为载流直导线上各电流元所受的力的方向一致 所以该载流直导线所受安培力的大小为 当时 7 4 4电磁轨道炮 自80年代初期以来 电磁炮在未来武器的发展计划中 已成为越来越重要的部分 强电流 强磁场 向前安培力 轨道炮 轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去 它由两条平行的长直导轨组成 导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸 当两轨接人电源时 强大的电流从一导轨流入 经滑块从另一导轨流回时 在两导轨平面间产生强磁场 通电流的滑块在安培力的作用下 弹丸会以很大的速度射出 这就是轨道炮的发射原理 如图均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOP 7 4 5均匀磁场对载流线圈的作用 线圈有N匝时 M N O P I 力臂 力矩 稳定平衡 不稳定平衡 1 方向与相同 2 方向相反 3 方向垂直 力矩最大 结论 均匀磁场中 任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为 磁矩 根据对称性分析 解 例1如图一通有电流的闭合回路放在磁感应强度为的均匀磁场中 回路平面与磁感强度垂直 回路由直导线AB和半径为的圆弧导线BCA组成 电流为顺时针方向 求磁场作用于闭合导线的力 例题 因 由于 故 解取一段电流元 结论任意平面载流导线在均匀磁场中所受的力 与其始点和终点相同的载流直导线所受的磁场力相同 例2求如图不规则的平面载流导线在均