霍尔元件、磁流体发电机课件.ppt

1、第四节第四节 科学技术科学技术超导体超导体磁流体发电机磁流体发电机霍尔器件霍尔器件回旋加速器回旋加速器质谱仪质谱仪速度选择器速度选择器一、速度选择器（重力不计）一、速度选择器（重力不计）1.当满足当满足Bqv=qE时时,带电粒带电粒子做匀速直线运动子做匀速直线运动2.当当Bqv=qE不满足时不满足时,粒子粒子发生偏转发生偏转.选择速度选择速度 V=E/B 的粒子的粒子.与粒子与粒子带电正负带电正负无关无关.与质量无关与质量无关与速度与速度方向有关方向有关二、质谱仪二、质谱仪：用来研究物质同位素的装置：用来研究物质同位素的装置N：为一离子原：为一离子原S1、S2：为加速电场：为加速电场PP：实际

2、上为一速度选：实际上为一速度选择器择器R=mv/q B由于由于q、B、v均为定值，则均为定值，则m大的同位素其圆周运动的半大的同位素其圆周运动的半径径R亦大，从而区别各种同位素，并且测得亦大，从而区别各种同位素，并且测得R后即可计算后即可计算该同位素的粒子质量该同位素的粒子质量mD1、D2为质谱线：每一条谱线为质谱线：每一条谱线对应于一定的质量，从谱线的对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径位置可以知道圆周的半径质谱仪质谱仪 已知质谱仪速度选择器部分的匀强电场场强已知质谱仪速度选择器部分的匀强电场场强E=1.2105V/m，磁场的磁感应强度为，磁场的磁感应强度为B1=0.6T,偏偏转

3、分离器的磁感应强度为转分离器的磁感应强度为B2=0.8T，如图所示，如图所示，求：求：（1）能通过速度选择器的粒子的速度多大？）能通过速度选择器的粒子的速度多大？（2）质子和氘核进入偏转部分后打在照相底片）质子和氘核进入偏转部分后打在照相底片上的条纹之间的距离上的条纹之间的距离d为多少？为多少？三、磁流体发电机三、磁流体发电机是目前世界上正在研究的一种是目前世界上正在研究的一种新型的发电机。它的发电原理：将一束等离子体新型的发电机。它的发电原理：将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的（即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的离子，而整体来说呈中性），喷射入磁场，磁场中离子

4、，而整体来说呈中性），喷射入磁场，磁场中有两块金属板有两块金属板A、B，这时电荷，这时电荷受磁场的作用，聚受磁场的作用，聚集到金属板上，使两金属板间产生电压。集到金属板上，使两金属板间产生电压。这种发电过程，其微观的模型是电荷在磁场与电这种发电过程，其微观的模型是电荷在磁场与电场中的运动，电荷在磁场中偏转，在金属板上聚场中的运动，电荷在磁场中偏转，在金属板上聚集电荷，这些电荷产生电场又阻碍电荷偏转，当集电荷，这些电荷产生电场又阻碍电荷偏转，当电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，两金属板电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，两金属板上将得到最大的电压，极为发电机的电动势。上将得到最大的电压，极为发电机

5、的电动势。金属板间的磁场磁感应强度为金属板间的磁场磁感应强度为B，板间的距离为板间的距离为d，电荷运动速度为，电荷运动速度为v，则：则：qvB=Eq；发电机的电动势发电机的电动势为：为：=Ed=Bvd试问：试问：（1）图中哪个极板是发电机的正极？）图中哪个极板是发电机的正极？（2）发电机的电动势多大？）发电机的电动势多大？（3）设喷入两极间的离子流每立方米有）设喷入两极间的离子流每立方米有n个负个负 电子。离子流的截面积为电子。离子流的截面积为S，则发电机的，则发电机的 最大功率多大？最大功率多大？I=2nsvte/t=2nsveE=Bdv所谓所谓“磁流体发电技术磁流体发电技术”就是用燃料（石

6、油、就是用燃料（石油、天燃气、燃煤、核能等）直接加热成易于电离天燃气、燃煤、核能等）直接加热成易于电离的气体，使之在的气体，使之在2000的高温下电离成导电的的高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动。即由热离子流，然后让其在磁场中高速流动。即由热直接转换成电能，由于无需经过机械能转换环直接转换成电能，由于无需经过机械能转换环节，所以称之为节，所以称之为“直接发电直接发电”，其燃料利用率，其燃料利用率得显著提高，这种技术也称为得显著提高，这种技术也称为“等离子体发电等离子体发电技术技术”。四、霍耳效应四、霍耳效应是指在通以电流的导体或半导体上，沿是指在通以电流的导体或半导体上，沿垂直

7、于电流方向加一磁场，则在导体或半导体的横侧面垂直于电流方向加一磁场，则在导体或半导体的横侧面上出现电势差的现象。如图所示。其产生的机理与磁流上出现电势差的现象。如图所示。其产生的机理与磁流体发电机的原理相同。体发电机的原理相同。两侧的电势差为两侧的电势差为：U=Bva （B为磁感应强度，为磁感应强度，v为载流为载流子的移动速度）子的移动速度）导体中电流强度导体中电流强度I与载流子移动速度与载流子移动速度v的关系：的关系：I=nabqv（n为载流子浓度，即单位体积中的载流子数。为载流子浓度，即单位体积中的载流子数。q为每个为每个载流子的电量）载流子的电量）U=I B/nqb 由这个公式可得：霍尔

8、电势差的大小与电流由这个公式可得：霍尔电势差的大小与电流强度强度I、磁感应强度、磁感应强度B成正比，与导体的宽度成反比。成正比，与导体的宽度成反比。设电流设电流I是由电子的定向流动形成的，电子是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为的平均定向速度为v，带电量为，带电量为e。试问：。试问：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势的电势下侧面下侧面A的电势（填的电势（填“高于高于”、“低低于于”或或“等于等于”）（2）电子所受的洛伦兹力的大小为）电子所受的洛伦兹力的大小为_.（3）当导体板上下两侧之间的电势差为）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，时，电子所受

9、静电力的大小为电子所受静电力的大小为_.（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍耳系数霍耳系数 ，其中，其中n代表导体单位代表导体单位体积中的电子的个数。体积中的电子的个数。1Kne 如图：是用来测定导电液体在导管中流动时流量如图：是用来测定导电液体在导管中流动时流量的仪器，设导管直径为的仪器，设导管直径为d，用非磁性材料制成，磁感，用非磁性材料制成，磁感应强度为应强度为B，a、b间测出电势差为间测出电势差为U练习练习1：电磁流量计：电磁流量计：BdUBdUdSvQ442则流量则流量:练习练习 如图所示是磁流泵的示意。绝缘流管的直径如图所示是磁流泵的示意。

10、绝缘流管的直径为为D，其中充满处于静止状态的导电液体，流管，其中充满处于静止状态的导电液体，流管的两侧对称地接有两个电极，电极与管内液体接的两侧对称地接有两个电极，电极与管内液体接触，整个装置置于匀强磁场中，磁场的磁感强度触，整个装置置于匀强磁场中，磁场的磁感强度为为B。现通过电极通人电流强度为。现通过电极通人电流强度为I的电流，则导的电流，则导流管的两端将增加多大的压强差？流管的两端将增加多大的压强差？解析：解析：电流在磁场中会受到安培力的作用。从电极流人导电流在磁场中会受到安培力的作用。从电极流人导电液体的电流流线如图所示。因为，磁场中闭合的通电导电液体的电流流线如图所示。因为，磁场中闭合

11、的通电导线所受的合外力为零，所以，这些曲线的电流都可以等效线所受的合外力为零，所以，这些曲线的电流都可以等效为两电极连线的直线电流。可得为两电极连线的直线电流。可得:电流在导电液体中所电流在导电液体中所受的安培力为：受的安培力为：F=BID则流管两端增加的压强差为：则流管两端增加的压强差为：P=F/S=BID/(D/2)2=4BI/D五、回旋加速器五、回旋加速器回旋加速器的基本结构：如图所示，回旋加速器的核心部回旋加速器的基本结构：如图所示，回旋加速器的核心部分是分是_，它们就像沿直径把一圆形金属盒子切成两，它们就像沿直径把一圆形金属盒子切成两半再拉开一个窄缝，在窄缝半再拉开一个窄缝，在窄缝_

12、放有粒子源，两放有粒子源，两D形形盒置于巨大的盒置于巨大的_之间的真空容器中磁场方向之间的真空容器中磁场方向_D形盒的底面，两盒分别接在高频交流电源的两形盒的底面，两盒分别接在高频交流电源的两极上；这样在两盒间窄缝处形成一方向可变的极上；这样在两盒间窄缝处形成一方向可变的_，使从粒子源发出的带电粒子在窄缝电场中使从粒子源发出的带电粒子在窄缝电场中_，在匀强磁场中做在匀强磁场中做_，经窄缝再经窄缝再_，再经磁场再经磁场_，经电场经电场_，所以带电粒子就会不断所以带电粒子就会不断_ 回旋加速器的工作原理：如图所示，放在回旋加速器的工作原理：如图所示，放在Ao处的粒子源放出处的粒子源放出一个带正电的

13、粒子，它以某一速率一个带正电的粒子，它以某一速率vo垂直进入匀强磁场，在磁垂直进入匀强磁场，在磁场中做场中做_经过半个周期，当它沿着半圆弧经过半个周期，当它沿着半圆弧AoA1到达到达A1时，在时，在A1A1处造成一个处造成一个_的电场，使这个带电粒子在的电场，使这个带电粒子在A1A1处受到一次电场的处受到一次电场的_，速率由，速率由vo增大到增大到v1然后，然后，粒子以速粒子以速v1在磁场中做在磁场中做_由于粒子的轨道半径由于粒子的轨道半径r=_，与它的，与它的_成正比，因而粒子将沿着半径成正比，因而粒子将沿着半径_的圆周运动，又经过半个周期，当它沿着半圆弧的圆周运动，又经过半个周期，当它沿着

14、半圆弧A1A2到达到达A2时，在时，在A2A2处造成一个处造成一个_的电场，使粒子又一次受的电场，使粒子又一次受到电场到电场_，速率增大到，速率增大到v2，如此继续下去，粒子速度将，如此继续下去，粒子速度将_ 因为粒子在磁场中做圆周运动的周期因为粒子在磁场中做圆周运动的周期T_，与，与v、r大小大小_，所以只要粒子在磁场一定，这个周期，所以只要粒子在磁场一定，这个周期T_，而形成电场的正、负极间的电压是，而形成电场的正、负极间的电压是_变化的，就可以保证粒子始终被加速变化的，就可以保证粒子始终被加速 求：外加电场的变化周期？求：外加电场的变化周期？粒子从加速器中射出时的最大能量？粒子从加速器中

15、射出时的最大能量？粒子在加速器中被加速的时间？粒子在加速器中被加速的时间？1.在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期不变周期不变2.每一个周期加速两次每一个周期加速两次3.电场变化周期与在磁场中运动的周期相同电场变化周期与在磁场中运动的周期相同4.电场一个周期中方向变化两次电场一个周期中方向变化两次5.最大半径与最大速度相对应最大半径与最大速度相对应6.电场加速过程中电场加速过程中,时间极短时间极短,可忽略可忽略三、超导三、超导在一定温度下一些导电材料的电阻突然减小为在一定温度下一些导电材料的电阻突然减小为0的的性质。性质。超导体的电超导体的电磁特性：磁特性：超导体的电阻准确为超导体的电阻

16、准确为0，即按目前的，即按目前的测量精度，超导体的电阻率至少低于测量精度，超导体的电阻率至少低于10-21m。超导体一旦形成电路，只要保持超导状态不变，超导体一旦形成电路，只要保持超导状态不变，其电流就不会减小，这种电流称为其电流就不会减小，这种电流称为“持久电流持久电流”。超导电流不需要电场维持。（超导体具有完全的抗超导电流不需要电场维持。（超导体具有完全的抗电性，即它的体内的电场强度电性，即它的体内的电场强度E=0E=0），也不会产生），也不会产生热效应，超导体是一种真正的理想导体。热效应，超导体是一种真正的理想导体。超导体的另一重要特性超导体的另一重要特性：完全的抗磁性。超导：完全的抗磁性。超导体内部的磁感应强度恒为体内部的磁感应强度恒为0，即超导体能将体内，即超导体能将体内的磁场完全的磁场完全“排挤排挤”出去出去具有持久电流的超导环能产生很强的磁场，而且具有持久电流的超导环能产生很强的磁场，而且只消耗很少的能量，但是强磁场对超导体有相反只消耗很少的能量，但是强磁场对超导体有相反的作用，即强磁场可以破坏超导电性。的作用，即强磁场可以破坏超导电性。返回返回它的宏观模型是高速等离子体切割磁感线，相当它的宏观模型是高速等离子体切割磁感线，相当于导体在切割磁感线，产生感应电动势。于导体在切割磁感线，产生感应电动势。发电机的电动势发电机的电动势E为：为：E=Bvd返回返回