1、双电流作用,本章题头,内容提要,本章内容,第一节,司南,奥斯特实验,1820年7月丹麦物理学家奥斯特 磁针的一跳,1820年7月丹麦物理学家奥斯特 磁针的一跳,电流的磁效应,法国物理学家迅速行动,阿拉果 9.11 法国科学院介绍 安培 9.18 平行载流直导线的相互作用 毕奥 萨伐尔 拉普拉斯 10.30 毕萨公式 安培 12.14 电流元相互作用公式,从奥斯特磁针的一跳到对磁现象的系统认识只用半年时间 说明科学家的锲而不舍的精神,电子束偏转,磁双极不可分,N,S,第二节,磁场,稳恒磁场是指不随时间变化的磁场,2.磁场的特征：,（1）在磁场中的运动电荷、载流导体、磁性介质等受磁场力作用。,（2
2、）运动电荷、载流导体在磁场中运动时，磁力作功。, 磁场具有能量,稳恒电流周围,稳恒磁场,磁场的描述,定量：磁感应强度,毕奥-萨伐尔定律,安培环路定理,定性：磁力线（磁通量）,本章的重点：,1.计算B的两种方法,描述磁场强弱及方向的物理量。,用运动电荷qo来检验：,. P, F是侧向力,定义：,即: F=qovB Sin,大小,方向,显然比 复杂,B如何计算？,即: F=qovB Sin,第二节,一、带电粒子在电场和磁场中所受的力,电场力,磁场力,洛仑兹力的方向垂直于运动电荷的速度和磁感应强度所组成的平面，且符合右手螺旋定则。,带电粒子在电场和磁场中所受的力,洛仑兹(Hendrik Antoon
3、 Lorentz, 1853-1928),1895年，洛仑兹根据物质电结构的假说，创立了经典电子论。洛仑兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。洛仑兹还预言了正常的塞曼效益，即磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要基础。洛仑兹对统计物理学也有贡献。,荷兰物理学家、数学家，因研究磁场对辐射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金。,2、速度方向与磁场方向垂直,洛仑兹力的大小,方向：垂直与速度的和
4、磁场的方向,回旋半径,回旋周期,回旋频率,圆周运动,带电粒子在均匀磁场中的运动,1、速度方向与磁场方向平行,带电粒子受到的洛仑兹力为零，粒子作直线运动。,3、速度方向与磁场方向有夹角,把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量,平行于磁场的方向： F/=0 ， 匀速直线运动 垂直于磁场的方向： F=qvBsin，匀速圆周运动 粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。,回旋半径,回旋周期,螺距粒子回转一周所前进的距离,动画,例、一带电粒子射入均匀磁场，当粒子的初速度与磁场方向斜交时，粒子的运动方程为 x = acoskt, y = asinkt, z = bt 其中a、b、k是常量。试求此粒子的
5、运动轨迹，以及走过的路程s与时间t 的关系。,解：,粒子的运动轨迹是螺旋线。,一个周期内,另解：,螺距d与v无关，只与v/成正比，若各粒子的v/相同，则其螺距是相同的，每转 一周粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现磁聚焦。,*带电粒子在非均匀磁场中的运动,带电粒子进入轴对称会聚磁场，由于磁场的不均匀，洛仑兹力的大小要变化，所以不是匀速圆周运动。且半径也随磁场变化。,使沿磁场的运动被抑，而被迫反转。象被“反射”回来一样磁镜。,* 应用：磁约束,用于受控 热核反应中,动画,目前状况： 等离子体温度已达4.4亿度； (相当于太阳内核温度的30倍) 脉冲聚变输出功率超过16兆瓦； Q值(表示输出功率
6、与输入功率之比)已超过1.25。 可行性已被证实。,可控热核聚变能,但只有数秒时间！ 主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。,7个参与国家和组织(中国、韩国、欧盟、印度、日本、俄罗斯和美国)将合作建造世界最大的托卡马克装置。,最新预算加至160亿欧元,ITER的超导线圈所用超导电缆是中国科学院合肥等离子体物理研究所所制,中国的实验先进超导托卡马克装置-EAST,地磁场，两极强，中间弱，能够捕获来自宇宙射线的带电粒子，在两极之间来回振荡。1958年，探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射线和太阳风的质子层和电子层Van Allen辐射带,带电粒子在电场和磁场中的运动举例,电子比荷（e
7、 /m）的测定,引言：电子的电量和质量是电子基本属性，对电子的电量、质量和两者的比值(即比荷)的测定有重要的意义。1897年J.J. Thomson在卡文迪许实验室测量电子比荷，为此1906年获Nobel物理奖。,实验装置,原理 加速电子经过电场与磁场区域发生偏转,y,结论 对于速度不太大的电子,2、质谱仪,引言：是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与化学家阿斯顿于在布歇勒实验仪器进行改装的基础上于1919年创造，当年发现了氯与汞的同位素，以后几年又发现了许多同位素，特别是一些非放射性的同位素，为此，阿斯顿于1922年获诺贝尔化学奖。,原理图,速度选择器,从离子源出来的离子经过S1、S
8、2加速进入电场和磁场空间，若粒子带正电荷+q，则电荷所受的力有： 洛仑兹力：qvB 电场力 ： qE,若粒子能进入下面的磁场 qvB=qE,速度选择器,若每个离子所带电量相等，由谱线的位置可以确定同位素的质量。 由感光片上谱线的黑度，可以确定同位素的相对含量。,质谱分析： 带电粒子 经过速度选择器后，进入磁场B中做圆周运动，半径R为,锗的质谱,3、 回旋加速器,美国物理学家劳伦斯于1934年研制成功第一台加速器劳伦斯于1939年获诺贝尔物理学奖。,结构： 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，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。,目的： 用来
9、获得高能带电粒子轰击原子核或其它粒子，观察其中的反应，研究原子核或其它粒子的性质。,原理： 使带电粒子在电场与磁场作用下，往复加速达到高能。,交变电场的周期恰好为回旋周期时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，所以粒子可被反复加速，至用致偏电极将其引出。,回旋频率,当粒子到达半圆边缘时，粒子的速率为（ R0为最大半径）,粒子动能,理论增大电磁铁的截面，可以增大粒子的能量 实际比较困难,兰州重离子加速器,北京正负电子对撞机,合肥同步辐射加速器,我国最大的三个加速器,4、霍耳效应,1879年霍耳发现载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直
10、的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳效应。相应的电势差称为霍耳电压。,现象,在磁场不太强时，霍耳电压与电流I和磁感应强度B成正比，而与导电板的厚度d 成反比,续上,霍耳效应,续上,假设载流子是负电荷，定向漂移速度为vd与电流反向，磁场中的洛仑兹力使载流子运动，形成霍耳电场。,电场力与洛仑兹力平衡时电子的漂移达到动态平衡，从而形成横向电势差。,霍耳系数,霍耳效应的经典解释,高斯计,利用霍耳效应测恒定磁场,例,利用霍耳效应鉴别半导体类型,测半导体,霍耳效应的应用,半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度，且容易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。,判定载流子类型 测量载流
11、子浓度 测量磁感应强度 测量电流 测量温度,1980年，德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体的霍耳效应时，发现UHB的曲线出现台阶，而不是线性关系量子霍耳效应。为此克利青于1985年获得诺贝尔物理学奖。,量子霍耳效应是低温强磁场下载流子量子效应的 表现,是宏观尺度上表现出的量子效应,其严格的 理论解释对低维现象的理解有重要的意义.发现量子霍耳效应,克利青获1985年诺贝尔物理学奖,1982年崔奇等人研究极低温(约0.1K)和超强 磁场(大于10T)下二维电子气的霍耳效应时,发 现霍耳电阻随磁场变化的台阶比 更大,且 台阶不仅出现在i为整数的情况,还出现于即分母为奇数的分数时. 此发现和
12、理论解释是物理领域的重大突破.,分数量子霍耳效应,1998年崔奇等人由此获诺贝尔物理学奖.,*磁流体发电,气体在3000K高温下将发生电离，成为正、负离子，将高温等离子气体以1000m/s的速度进入均匀磁场B中,正电荷聚集在上板，负电荷聚集在下板，因而可向外供电。,小 结,带电粒子在磁场中所受的力,带电粒子在磁场中的运动,速度方向与磁场方向平行直线运动,速度方向与磁场方向垂直圆周运动,速度方向与磁场方向有夹角螺旋运动,速度选择器,霍耳效应现象、规律、理论解释和应用,第三节,一、电流 ：,电流的形成：自由电荷的定向漂移,稳恒电流,1、电荷的定向运动,传导电流：导体中自由电子或者离子的定向运动；
13、运流电荷：带电粒子的纯机械运动； 位移电流：变化电场产生，与传导电流产生磁效应相同；,2、电流强度,3、电流密度,单位时间内通过某截面的正电荷的电量,大小等于与其垂直单位截面的电流强度； 方向便是电流的方向。,4. 电流连续性方程,电荷守恒原理:,电流连续性方程,稳恒电流:,稳恒电流的电路必须闭合导体侧表面电流密度矢量无法向分量；对一段无分支的稳恒电路 其各横截面的电流强度相等；在电路的任一节点处 流入的电流强度之和等于流出节点的 电流强度之和；,- 节点电流定律(基尔霍夫第一定律),从闭合曲面S中净流出的电流，应等于V中电荷的减少率，即,高斯公式,二、稳恒电场 对于稳恒电路 导体内存在电场,
14、和静电场比较 相同之处 电场不随时间改变 满足高斯定理 满足环路定理 是保守场，可引入电势概念,不同之处 产生稳恒电流的电荷是运动的电荷，但电荷分布不随时间改变 稳恒电场对运动电荷作功 稳恒电场的存在总伴随着能量的转移,回路电压定律(基尔霍夫第二定律) 在稳恒电路中 沿任何闭合回路一周的电势降落的代数和等于零,三、 欧姆定律,一段导体内I R的乘积 等于导体内电场将单位正电荷从一端移到另一端时所作的功。,欧姆定律,无限小导体情况：,or,欧姆定律的微分表述,四、 焦耳定律,电流的热效应,电流的热功率密度,一定温度下，电阻R上的电压噪声,五、电源,静电力（场）可以维持稳恒电流？,A,B,电动势概
15、念,电动势的概念,1、只靠静电力不能维持恒定电流,独立的带电电容器,只在静电力作用下通过外路放电,放电电流不能维持恒定,电池,电势高,电势低,1)、电源 在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静电力，必须有非静电力把正电荷从负极板搬到正极板才能在导体两端维持有稳恒的电势差。这种能够提供非静电力的装置叫作电源。电源的作用是把其它形式的能量转变为电能。,2、要有外来非静电力才能维持恒定电流,静电力欲使正电荷从高电位到低电位。 非静电力欲使正电荷从低电位到高电位。,2)、电源的表示法 电势高的地方为正极，电势低的地方为负极。,非静电力,1)、引入 为了表述不同电源转化能量的能力，引入了电源电动势这一物理量
16、。,2)、定义 把单位正电荷绕闭合回路一周时，电源非静电力做的功定义为电源的电动势。,单位：焦耳/库仑=（伏特）,电源电动势1,描述电源中非静电力做功的本领（反映电源将其它形式的能转变成电能的本领）。,电源外部没有非静电力，所以可写为：,3)、计算,4)、说明：,电动势是标量，但有方向；其方向为电源内部电势升高的方向，即从负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。,电动势的大小只取决于电源本身的性质，而与外电路无关。,电动势的单位为伏特。,电源内部也有电阻，称为内阻。,电源两极之间的电势差称为路端电压，与电源的电动势是不同的。,成对保守内力的功等于系统势能的减少（或势能增量的负值）,5）、静电势、电动势、端电压,任意一点的电势等于单位正电荷在该点所具有的电势能，或等于将单位正电荷从该点移至无穷远时，静电场力所做的功。,把单位正电荷绕闭合回路一周时，电源非静电力做的功定义为电源的电动势。,电源两极之间的电势差称为路端电压,设空间闭区域 V 由分片光滑的,在V 上有连续的一阶偏导数, 则有,闭曲面S 所围成, S 的方向取外侧, 函数 P, Q, R,一、高斯公式,首页,R,
