穩(wěn)恒磁場(chǎng)2解讀PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1穩(wěn)恒磁場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)2解讀解讀vFF（1）電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向一致max=qvB（2）電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直vBvqF粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)1. 回旋半徑和回旋頻率第1頁(yè)/共49頁(yè)qvBF RvmqvB2qBmvR qBmvRT22演示：帶電粒子在洛侖茲力的作用下的圓周運(yùn)動(dòng)第2頁(yè)/共49頁(yè)粒子作螺旋運(yùn)動(dòng)cos2vqBmTvhII（3） v 與B 斜交時(shí)演示程序： 電子的螺旋線運(yùn)動(dòng)sinvv cosvvIIv螺旋半徑周期螺距qBmvRsinqBmT2第3頁(yè)/共49頁(yè) 一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，當(dāng)它們?cè)诖艌?chǎng)B的方向上具有大致相同的速度分量時(shí)，它們有相同的螺距。經(jīng)過(guò)一個(gè)周期它們將重新會(huì)聚在另

2、一點(diǎn)，這種發(fā)散粒子束會(huì)聚到一點(diǎn)的現(xiàn)象與透鏡將光束聚焦現(xiàn)象十分相似，因此叫磁聚焦。磁聚焦廣泛應(yīng)用于電子顯微鏡等電真空器件中，它具有與光學(xué)儀器中的透鏡類(lèi)似的作用。 演示動(dòng)畫(huà)： 磁聚焦第4頁(yè)/共49頁(yè) 在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，總是受到一個(gè)指向磁場(chǎng)減弱方向的軸向分力。 帶電粒子將在兩“磁鏡”之間來(lái)回振蕩mFmFvII第5頁(yè)/共49頁(yè)地球的磁場(chǎng)與一個(gè)棒狀磁體的磁場(chǎng)相似，地磁軸與自轉(zhuǎn)軸的交角為11.50，地磁兩極在地面上的位置是經(jīng)常變化的。地磁場(chǎng)實(shí)際上也是一磁束，地球是一個(gè)天然的磁約束捕集器。來(lái)自宇宙射線和“太陽(yáng)風(fēng)” 的帶電粒子在地磁南、北兩極之間來(lái)回振蕩。被地磁場(chǎng)捕獲的罩在地球上空的質(zhì)子層和電子層

3、，形成范阿侖(Van Allen)輻射帶 電子質(zhì)子第6頁(yè)/共49頁(yè)在美國(guó)國(guó)家航空航天局2003.10月26日公布的太陽(yáng)表面圖像上，可以清晰地觀測(cè)到484和486這兩個(gè)巨大的黑子群第7頁(yè)/共49頁(yè) 在美國(guó)國(guó)家航空航天局2003年10月26日公布的太陽(yáng)圖像上，可以清晰地觀測(cè)到太陽(yáng)表面形成的巨大黑子群釋放出的氣體和帶電粒子流。第8頁(yè)/共49頁(yè) 在美國(guó)國(guó)家航空航天局2003年10月28日公布的太陽(yáng)表面圖像上，可以清晰地觀測(cè)到太陽(yáng)表面聚集的由巨大黑子群釋放出的冠狀云。這是距今為止觀測(cè)到的最大冠狀云聚集現(xiàn)象。 第9頁(yè)/共49頁(yè)太陽(yáng)表面聚集的由巨大黑子群釋放出的冠狀云 第10頁(yè)/共49頁(yè) 太陽(yáng)黑子活動(dòng)通常以

4、11年為一個(gè)周期，除太陽(yáng)風(fēng)暴效應(yīng)外，太陽(yáng)黑子還會(huì)導(dǎo)致高能量的耀斑爆發(fā)，與耀斑爆發(fā)相伴，太陽(yáng)表面還會(huì)產(chǎn)生了一股強(qiáng)大的日冕物質(zhì)噴射。噴射產(chǎn)生的帶電粒子流可以約每小時(shí)幾百萬(wàn)公里的速度奔地球而來(lái)，其與地球磁場(chǎng)作用后可能會(huì)形成比較強(qiáng)烈的地磁暴。 太陽(yáng)風(fēng)（演示動(dòng)畫(huà)） 第11頁(yè)/共49頁(yè)磁暴導(dǎo)致極光第12頁(yè)/共49頁(yè)極光第13頁(yè)/共49頁(yè)極光第14頁(yè)/共49頁(yè)帶電粒子在云室中的徑跡容器中裝有過(guò)飽和蒸汽，高能粒子射入與其它分子相碰時(shí)在沿途產(chǎn)生許多離子，蒸汽分子就以這些離子為核心而凝結(jié)成一連串很小的液珠，從而高能離子的徑跡就以白色的霧狀細(xì)線顯示出來(lái)，這樣的裝置稱(chēng)為 帶電粒子與氣體分子碰撞時(shí)速率逐漸減小，旋轉(zhuǎn)半徑

5、也不斷減小。第15頁(yè)/共49頁(yè)J.J.湯母孫于1897年發(fā)現(xiàn)（e/m）。1930年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克首先理論上預(yù)言自然界存在電子的反粒子。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森在分析宇宙射線穿過(guò)云室的鉛板或所產(chǎn)生的帶電粒子徑跡的照片時(shí)，發(fā)現(xiàn)了正電子。于1936年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。今天，由狄拉克開(kāi)創(chuàng)的反粒子、反物質(zhì)的研究正蓬勃發(fā)展，如日中天。電子偶第16頁(yè)/共49頁(yè)質(zhì)譜儀是分析同位素的重要儀器，其原理如圖所示。從離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)過(guò)狹縫S1和S2之間的電場(chǎng)加速后，進(jìn)入速度選擇器（電場(chǎng)為E，磁場(chǎng)為B）。從速度選擇器射出的粒子進(jìn)入與其速度方向垂直的均勻磁場(chǎng)中（也為B），最后，不同質(zhì)量的離子打在底片上不同位置

6、處。沖洗底片，得到該元素的各種同位素按質(zhì)量排列的線系（即質(zhì)譜）。P2P11S1S2B23第17頁(yè)/共49頁(yè)dEqBm22解（1）由底片顯示知有三種同位素。（1）若底片上的線系有三條，則該元素有幾種同位素？（2）速度多大的離子能通過(guò)速度選擇器？（3）設(shè)離子的電量為q，d是底片上某條譜線位置與速度選擇器軸線間的距離。試證明該元素的幾種同位素的質(zhì)量可一般表示為（2）只有離子受到的橫向電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的合力為零，離子才能通過(guò)速度選擇器，此時(shí)：P2P11S1S2B2 3第18頁(yè)/共49頁(yè)qvBqE BEv （3）磁偏轉(zhuǎn)圓運(yùn)動(dòng)qBmvdR2可得dEqBvqBdm222能通過(guò)速度選擇器的離子速度大小為 efm

7、fv速度選擇器第19頁(yè)/共49頁(yè) 將氣體加熱到很高溫度使之電離（這樣一種高度電離的氣體就是等離子體），并讓它通過(guò)平行板電極P、N之間，在這里有一垂直紙面向里的磁場(chǎng)B，該氣體流速為v，電極間距為d。NRBP 離子在電極P、N之間受到方向相反的電場(chǎng)力和洛侖茲力 。當(dāng)其平衡時(shí)，極板上電荷不再增加。磁流體發(fā)電機(jī)qEqvB 此時(shí)有 正離子在洛侖茲力作用下偏向P極板，使P板帶正電，而負(fù)離子偏向N極板，使N極帶負(fù)電。從而在兩極板間建立起由電極P垂直指向電極N的電場(chǎng)E。E = vBvBdEdV所以，兩極板間電壓第20頁(yè)/共49頁(yè)1011、13第21頁(yè)/共49頁(yè)利用回旋共振頻率與速率無(wú)關(guān)的性質(zhì)qBmvR11qB

8、mvR22qBmvRT22最終速率：交變電場(chǎng)區(qū)加速帶電粒子mqBf2（m為相對(duì)論質(zhì)量）mqBRvm第22頁(yè)/共49頁(yè) 有一回旋加速器，它的交變電壓的頻率為12106HZ，半圓形電極的半徑為0.532m。問(wèn)加速氘核所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大？氘核所能達(dá)到的最大動(dòng)能為多大？其最大速率有多大？（已知氘核的質(zhì)量為3.310-27kg，電荷為1.610-19C）解：當(dāng)交流電壓的頻率和粒子的回旋頓率相等時(shí)，粒子才能在兩電極的狹縫間被加速，由粒子的回旋頻率式可得磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為T(mén)qmfB56. 1106 . 11012103 . 32219627而氘核的最大動(dòng)能為第23頁(yè)/共49頁(yè)27222192022k10

9、3 . 32532. 056. 1)106 . 1(m2RBqEMeV7 .16J1067. 212氘核的最大速率為mqBRv0sm/1002. 4103 . 3523. 056. 1106 . 172719第24頁(yè)/共49頁(yè) 通有電流 I 的金屬或半導(dǎo)體板置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向和電流方向垂直。在金屬板的兩側(cè)M和N之間就顯示出微弱的橫向電勢(shì)差。這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍耳效應(yīng)，電勢(shì)差 VM VN 就稱(chēng)為霍耳電勢(shì)差。第25頁(yè)/共49頁(yè)qEqvBBvbEbVVNM nqbdIv/dBInqVVNM1霍耳系數(shù)nqRH1dBIRVVHNMnqvbdI 由電流強(qiáng)度I 的定義 霍耳系數(shù)RH與材料性

10、質(zhì)有關(guān)演示程序：霍爾效應(yīng)第26頁(yè)/共49頁(yè)（1）判斷半導(dǎo)體的種類(lèi)（2）測(cè)載流子的濃度 半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)，霍耳元件 第27頁(yè)/共49頁(yè)nqdBIVH在給定電流I和導(dǎo)體的厚度d時(shí)，VH與B成正比 1980年，德國(guó)物理學(xué)家克利青在研究低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)VH與B呈量子化現(xiàn)象（1985年獲諾貝爾獎(jiǎng)。第28頁(yè)/共49頁(yè)10.7.1 電流元在磁場(chǎng)中受的力 一段電流元Idl中，有帶電粒子數(shù)nSdl ，由洛侖茲力公式，它們?cè)诖艌?chǎng)中受力為BlBvFdddIlqnS10.7.2 載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力LIBlFd均勻磁場(chǎng)中的直導(dǎo)線sinIlBF BLF IIlId電流元vlIds第29頁(yè)/共49頁(yè)

11、解:取坐標(biāo)系xoy，磁場(chǎng)作用在回路中底邊直線段上的安培力F1大小 例1011：一段半圓形載流回路，通有電流I，圓的半徑為R，放在均勻磁場(chǎng)B 中，磁場(chǎng)與回路平面垂直。求均勻磁場(chǎng)作用在半圓形載流回路上的力。BIRRBIF221F1的方向沿負(fù)y軸（向下） 在半圓弧上各段電流元受到的安培力大小都等于 lBIFdd方向沿徑向向外半圓弧受到的安培力F2為各個(gè)電流元所受力的矢量和。第30頁(yè)/共49頁(yè)F2的方向沿y軸(向上)將dF分解為x方向和y方向的分量dFx和dFy ，由電流分布的對(duì)稱(chēng)性，半圓弧上各個(gè)電流元在x方向上受到的分力的矢量和為零，只有y方向分力對(duì)合力F2有貢獻(xiàn) 半圓弧yFFd2半圓弧sindlB

12、IBIRBIR2dsin0 F1和F2大小相等、方向相反，因此均勻磁場(chǎng)作用在半圓形載流回路上的力為零。 第31頁(yè)/共49頁(yè)0B0B)(dFIl dIBlILL 2、一個(gè)任意形狀的載流線圈在均勻磁場(chǎng)中受到的合力均為零。這可根據(jù)上面的結(jié)論得到，也可根據(jù)矢量叉乘的結(jié)合率加以證明： BB)(FlIl dIBlIdLLLl第32頁(yè)/共49頁(yè)例1013: 討論一個(gè)載流線圈在磁場(chǎng)中所受的力矩。如圖所示，一個(gè)載流圓線圈半徑為R，電流為I，放在一均勻磁場(chǎng)中。它的平面法線方向en（en的方向與電流的流向I符合右手螺旋關(guān)系）與磁場(chǎng)B的方向夾角為，求此線圈所受磁場(chǎng)的力和力矩。第33頁(yè)/共49頁(yè) 為了求線圈受磁場(chǎng)的作用

13、力，可以將磁場(chǎng)B分解為與en平行的B/ 和與en垂直的B兩個(gè)分量，分別考慮它們對(duì)線圈的作用力。 B/ 分量對(duì)線圈的作用力如圖（b）所示，各段dl相同的電流元所受的磁力大小都相等，方向都在線圈平面內(nèi)沿徑向向外。由于這種對(duì)稱(chēng)性，線圈受這一磁場(chǎng)分量的合力為零，合力矩也為零。 B分量對(duì)線圈的作用如圖（c）所示，右半圓上一電流元 Idl受的磁場(chǎng)力的大小為 dlIBdFsin 對(duì)稱(chēng)分析，可知此線圈受B分量的合力為零。但由于Idl和Idl/ 受的磁力不在一條直線上會(huì)對(duì)線圈產(chǎn)生一個(gè)力矩，其大小為第34頁(yè)/共49頁(yè)dl rIBdMsindsinBIR22對(duì)整個(gè)線圈積分可得線圈所受磁力的力矩為2022sindBI

14、RdMMBIR2sinBB所以sin2BRIM第35頁(yè)/共49頁(yè)在此力矩的作用下，線圈將繞z軸沿反時(shí)針?lè)较颍ǜ┮暎┺D(zhuǎn)動(dòng)。用矢量表示力矩，則M的方向沿z軸正向。若用S表示線圈圍繞的面積。根據(jù)en以及M的方向，力矩可矢量表示為BeSIMn第36頁(yè)/共49頁(yè)nISme說(shuō)明：不只是線圈有磁距，原子、電子、質(zhì)子等微觀粒子也有磁距，磁距是粒子本身的特征之一emImBmM載流線圈在均勻磁場(chǎng)中受到的磁力矩 第37頁(yè)/共49頁(yè) 載流線圈法線方向與磁感強(qiáng)度方向相同0M穩(wěn)定平衡狀態(tài) 載流線圈法線方向與磁感強(qiáng)度方向垂直NISBM 磁力矩最大 載流線圈法線方向與磁感強(qiáng)度方向相反0M非穩(wěn)定平衡狀態(tài)演示動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)以上結(jié)論

15、對(duì)均勻磁場(chǎng)中的任何線圈都成立 在非均勻磁場(chǎng)中，載流線圈除受到磁力矩外，還受到磁力的作用。第38頁(yè)/共49頁(yè) 直流電動(dòng)機(jī)（直流馬達(dá)）的基本原理?yè)Q向器電刷第39頁(yè)/共49頁(yè)電刷換向器電刷換向器死點(diǎn)第40頁(yè)/共49頁(yè)電刷換向器電樞第41頁(yè)/共49頁(yè)1012、14、17第42頁(yè)/共49頁(yè)解:如題圖所示，在圓盤(pán)上取一半徑為r、厚度為dr的環(huán)帶。因圓盤(pán)以角速度 繞通過(guò)盤(pán)心、垂直盤(pán)面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此環(huán)帶相當(dāng)于一圓電流rrrdrqId 22d2drdr IdSmd3dm的方向用右手螺旋定則判斷，垂直紙面向外。一半徑為R的薄圓盤(pán)，表面上的電荷面密度為 ，放入均勻磁場(chǎng)B中，B的方向與盤(pán)面平行。若圓盤(pán)以角速度 繞通過(guò)盤(pán)

16、心、垂直盤(pán)面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。求作用在圓盤(pán)上的磁力矩。RrdrB圓電流的磁矩dm大小 第43頁(yè)/共49頁(yè)mPdBBmMd4BR rdrB mdBMdM4R03磁力矩M的方向垂直向上。若盤(pán)面的法線方向與B成角，則圓盤(pán)受磁力矩大小為sinBR 41BmdMdM4此時(shí)磁力矩M的方向還是垂直向上。RrdrB第44頁(yè)/共49頁(yè)第45頁(yè)/共49頁(yè)磁力矩的大小與待測(cè)的電流強(qiáng)度成正比。線圈偏轉(zhuǎn)時(shí)，游絲發(fā)生形變產(chǎn)生反向的回復(fù)力矩，線圈平衡時(shí)其指針?biāo)傅奈恢眉椿貜?fù)力矩和磁力矩相等處若線圈的面積S，線圈有N匝，線圈所受的磁偏轉(zhuǎn)力矩為：L磁=NISB I, 刻度可為線性的。線圈偏轉(zhuǎn)后游絲產(chǎn)生的彈性回復(fù)力矩為：L彈=a, a稱(chēng)為扭轉(zhuǎn)常數(shù)。平衡時(shí)L磁= L彈，對(duì)應(yīng)的平衡偏轉(zhuǎn)角為,則NISB =aIaNISB0KI 第46頁(yè)/共49頁(yè)I2dl2dF2I1dlldF1I1I22212ddlIBF dIIIBlF2dd2102122dIIIBlF2dd2101211 安培的定義