5磁场对载流导线的作用市公开课一等奖省赛课获奖课件

5磁场对载流导线作用一安培力叠加原理计算各种载流回路在外磁场作用下所受力二平行无限长直导线间相互作用5磁场对载流导线的作用第1页电流强度单位“安培”定义

一恒定电流，若保持在处于真空中相距1m两无限长、而圆截面可忽略平行直导线内，则在此两导线之间产生力在每米长度上等于210－7N，则导线中电流强度定义为1A5磁场对载流导线的作用第2页(a)(b)(c)磁场对载流导线作用5磁场对载流导线的作用第3页平行长直电流之间相互作用平行长直电流I1和I2，相距a.aI1I2平行长直电流图4.26平行直电流间作用5磁场对载流导线的作用第4页三磁力矩(一）在均匀磁场中刚性矩形线圈——不发生形变；协力=0，协力矩＝？

磁矩m5磁场对载流导线的作用第5页磁力矩(二）在均匀磁场中,任意形状线圈将线圈分割成若干个小窄条小线圈所受力矩dL

总力矩若线圈平面与磁场成任意角度，则可将B分解成应用：磁电式仪表、直流电动机、振镜扫描仪等。5磁场对载流导线的作用第6页结论：

线圈磁矩所受力矩

磁矩方向5磁场对载流导线的作用第7页【讨论】：均匀磁场中，，只有转动；

φ=0，，稳定平衡；

φ=π

，，不稳平衡；

φ=π/2，Mmax=PmB。不均匀磁场中载流线圈，由，

B1>B2

，则F1>F2，所以，除转动外，还向B大处移动。不匀磁场中线圈215磁场对载流导线的作用第8页磁偶极子与载流线圈等价性5磁场对载流导线的作用第9页磁电式仪表Lm为磁偏转力矩Lt为弹性恢复力矩为偏转角因为磁场沿径向,且均匀,偏转角正比于电流强度刻度盘是线性5磁场对载流导线的作用第10页6带电粒子在磁场中运动

一洛仑兹力

试验证实：运动电荷在磁场中受力

洛仑兹力不做功，只改变运动方向，不改变大小(例题12,13)洛仑兹力与安培力关系？正电荷受力

5磁场对载流导线的作用第11页二洛仑兹力与安培力关系

电子数密度为n，漂移速度ul内总电子数为N=nSl，每个电子受洛仑兹力fN个电子所受协力总和是安培力吗?

结论：安培力是电子所受洛伦兹力宏观表现

5磁场对载流导线的作用第12页证实：先说明导线中自由电子与宏观电流I关系自由电子做定向运动，漂移速度u，电子数密度为n电流强度I：单位时间内经过截面电量则在t时间内，经过导体内任一面元S迁移电量为5磁场对载流导线的作用第13页N个电子所受协力总和大小I安培力是晶格所受力总和

结论：安培力是电子所受洛伦兹力宏观表现

N=nSl洛伦兹力f作用在金属内电子上安培力作用在导体金属上自由电子受力后，不会越出金属导线，而是将取得冲量传递给金属晶格骨架，使骨架受到力

5磁场对载流导线的作用第14页三带电粒子在电磁场中运动

库仑力

方程式，看似形式简单，其实相当复杂。普通情况下难于严格求解是耦合在一起

通常是多粒子体系可能是高速运动5磁场对载流导线的作用第15页电磁场耦合情况近似

假如外场很强，感应场很弱，近似处理——感应场略

假如带电粒子稀薄，各个粒子运动相互独立、彼此无关而又类似，则可简化为讨论单个带电粒子在给定外加电磁场中运动。5磁场对载流导线的作用第16页在均匀磁场中运动

不受力粒子作匀速直线运动

粒子作匀速圆周运动

盘旋共振频率与粒子速度无关，与盘旋半径无关粒子作螺旋线

5磁场对载流导线的作用第17页带电粒子在非均匀磁场中运动如图正带电粒子处于磁感应线所在位置，vB

；此时，粒子受洛仑兹力FB，F=F||+FF提供向心力，F||指向磁场减弱方向粒子也将作螺旋运动，但并非等螺距，盘旋半径也会改变盘旋半径因磁场减弱而增大，同时，还受到指向磁场减弱方向作用力vB5磁场对载流导线的作用第18页包括到带电粒子在电磁场中运动问题荷质比测定

盘旋加速器等离子体磁约束地磁场霍耳效应5磁场对载流导线的作用第19页利用磁力和电力平衡测出电子流速度切断电场，使电子流只在磁场中运动1897年J.J.Thomson测定荷质比试验荷质比测定5磁场对载流导线的作用第20页第一次发觉了电子，是含有开创性试验发觉该荷质比约比氢离子荷质比大1000倍用不一样金属做试验做出来比值一样说明带电质粒是比原子更小质粒，以后这种质粒被称为电子，19，Milikan测电荷，发觉各种各样电荷总是某一个值整数倍——发觉电子量子化19Kaufmann发觉荷质比随速度改变，速率越大，荷质比越小，那么终究是荷还是质随速度改变？5磁场对载流导线的作用第21页荷变还是质变？荷随速度改变？否！对电中性物质加热，电子速度改变会破坏电中性——实际没有应该是质随速度改变荷质比随速度改变测量提供狭义相对论主要试验基础当代试验测量电子荷质比是

5磁场对载流导线的作用第22页电子荷质比与速度关系v/ce/m/(10^11C/Kg)e/m0/(10^11C/Kg)0.31731.6611.7520.37871.6301.7600.42811.5901.7600.51541.5111.7630.68701.2831.7675磁场对载流导线的作用第23页用磁聚焦测荷质比周期螺距屏距θe改变电场E，即改变υ电子束磁聚焦(n=2)tL改变磁场B，均改变t，L半径5磁场对载流导线的作用第24页因为速度垂直分量不一样,在磁场作用下,各粒子将沿不一样半径螺旋线前进,但因为速度平行分量相同,经过螺距整数倍后它们又重新汇聚到一点上.lkACSo磁聚焦法测荷质比-e△U5磁场对载流导线的作用第25页盘旋加速器××××××××××××××××○＋盘旋加速器T~结构一对D型盒（电极），半径R；交变电场（电源），周期T;磁场，磁感应强度B

。原理：D型盒电极间加速电场周期=盘旋共振周期粒子经过电极间隙时总被加速，最终速率受相对论效应约束，当不是常量时，其基本原理不再满足。5磁场对载流导线的作用第26页等离子体磁约束

等离子体：部分或完全电离气体。特点：由大量自由电子和正离子及中性原子、分子组成，宏观上近似中性，即所含正负电荷数处处相等。

在热核反应高温下，物质处于等离子态带电粒子在磁场中沿螺旋线运动，盘旋半径与磁感应强度成反比强磁场中，每个带电粒子活动被约束在一根磁力线上，此时，带电粒子盘旋中心（引导中心）只能沿磁感应线作纵向运动，不能横越。——磁约束5磁场对载流导线的作用第27页

磁约束约束力I正离子被磁约束示意图5磁场对载流导线的作用第28页近似不变量——磁矩

带电粒子作圆周运动

——圆电流——磁矩面元法线不变量横向动能磁场梯度不太大时，近似不变5磁场对载流导线的作用第29页应用举例磁镜

粒子在强磁场区受到指向弱磁场方向力，向弱磁场方向运动——“反射”到中央，被约束在两镜之间洛仑兹力不做功，W也不变受指向弱磁场方向力5磁场对载流导线的作用第30页

地磁场——天然磁镜捕集器范.阿伦辐射带——由地磁场所俘获带电粒子（绝大部分为质子和电子）组成5磁场对载流导线的作用第31页霍耳效应

经典霍耳效应

1879年德国物理学家Hall发觉

量子Hall效应

1980年，德国物理学家冯.克利青（VonKlitzing）发觉

分数量子Hall效应

1982年，普林斯顿大学美籍华裔教授崔琦和Stoemer

发觉5磁场对载流导线的作用第32页经典霍耳效应原理：带电粒子在磁场中运动样品：导体或半导体长方形样品

载流子：带正电如图a

载流子：带负电如图b试验表明：Hall系数

EE5磁场对载流导线的作用第33页Hall系数

带电粒子受力平衡时K取决于载流子浓度和带电正、负，可正、可负，5磁场对载流导线的作用第34页霍尔效应应用霍耳系数K与导体中载梳子浓度n成反比金属导体载流子浓度n大——K和UH

小半导体载流子浓度n小——K和UH

大判定半导体导电类型、测定载流子浓度利用半导体材料制成霍耳元件得到广泛应用霍耳元件含有结构简单而牢靠、使用方便、成本低廉等优点，所以它在实际中将得到越来越普遍应用。测量磁场（恒定、非恒定）测量直流或交流电路中电流强度和功率5磁场对载流导线的作用第35页Ha11电阻RH若载流子——电子

K应为负值,UAA’也应为负值引入正值Ha11电阻RH

RH—Vg试验曲线试验上对于给定磁场B，经过对电路中栅压Vg调整来控制电流I，同时测出Hall电阻RH，由此能够得出RH—Vg试验曲线．RH—Vg理论曲线如图中虚线所表示，普通情况下，试验曲线与理论曲线符合得比很好．

5磁场对载流导线的作用第36页量子Hall效应二维电子系统

从50年代起，因为晶体管工业兴盛，半导体表面研究成了热门课题，半导体物理学中兴起了一个崭新领域——二维电子系统。1957年，施里弗(J．R．schrieffer)提出反型层理论，认为假如与半导体表面垂直电场足够强，就能够在表面附近出现与体内导电类型相反反型层。因为反型层中电子被限制在很窄势阱里，与表面垂直电子运动状态应是量子化，形成一系列独立能级，而与表面平行电子运动不受拘束。这就是所谓二维电子系统。当处于低温状态时，垂直方向能态取最低值——基态。（引发物理学家浓厚兴趣）5磁场对载流导线的作用第37页量子霍耳效应发觉

1980年，德国物理学家冯.克利青（VonKlitzing）等人在低温强磁场条件下测量一批半导体样品(二维电子系统)Hall电阻RH时发觉RH—Vg曲线有一系列平台，这些平台所对应RH取决于Planck常量h和电子电量绝对值e

Hall电阻这些平台值与样品性质无关

5磁场对载流导线的作用第38页意义量子Hall效应发觉，再次显示出在固体中电子运动量子效应在低温条件下有更显著表现经