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【磁场中的带电粒子】当带电粒子束以速度v进入使它偏转的匀强磁场区B时，将受磁场力f=qvB（当 与B垂直时）=mv2／r，所以 设电子束偏转的夹角为θ，偏转量为D，偏转磁场中心到荧光屏距离为L， 从该式中得知磁偏转量D和电子速率的一次方成反比，而电偏转量将和 向上）。在加速电压高，电子速率大的情况下，采用磁偏转比较合适。如果被偏转的是某种带正电的离子，则偏转方向将与电子的偏转方向相反。又因离子总比电子质量大很多，就是质量最小的氢离子（H+）（即质子）的质量也是电子质量1840倍。所以离子偏转要比电子小得多。 【霍耳效应】当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场的方向的导体两侧产生电势差的现象。电势差的大小与电流和磁场强度的乘积成正比，而与物体沿磁场方向的厚度成反比。比例系数称霍耳系数，它同物体中载流子的符号和浓度有关。一般说来，金属和电解质的霍耳效应都很小，但半导体则较显著。因此，研究固体的霍耳效应可以确定它的导电类型以及其中载流子的浓度等；利用半导体的霍耳效应可以制成测量磁场强度的磁强计、微波技术及电子计算机中的元件等。如图3－41a所示，有一个厚度为d、宽为l的导电薄片，沿x轴通有电流强度I。当在y轴方向加以匀强磁场B时，在导体薄片两侧（图中的A，A′）产生电势差UAA′。这就是霍耳效应。假设所讨论导电薄片的载流子（参与导电的带电粒子）电量为q。若q＞0时，其它向漂移速度 。薄片中这些正电荷的载流子在磁场 中将受到洛仑兹力f洛=+|q| × 。由图3－41a可知，这些正电荷的载流子所得到的力沿+Z轴方向。若薄片中载流子为负电荷，q＜0，则其定向漂移速度 ′与 的方向相反、受的洛仑兹力fL=-|q| ′× 。虽然此力前有负号，但 ′与 方向相反，所以fk也沿+Z轴方向见图3－41b。可见，由于 的存在，定向运动的载流子（无论q＞0或q＜0）都将受到+Z轴方向的洛仑兹力 f1=qvB 设载流子为正电荷，由于洛仑兹力的作用，正电荷将在A侧堆积，而在A′侧出现负电荷，并产生由A指向A′的横向电场Et。显然Et对q的作用力fe=qE，与fL=qvB反向，当 或当电场Et满足 Et=vB 时，定向运动的载流子所受合力为零。这时载流子将回到与磁场 不存在时相同的运动状态，同时A，A′两侧停止电荷的继续堆积，从而在AA′两侧建立一个稳定的电势差UAA 所以UAA′＝vBL 又电流强度I=nqvL·d，n为单位体积的载流子数。则载流子的漂移速度 v=I／nqLd 将其代入UAA′=vBl得 若载流子为负电荷，作与前相同的讨论，仍然得到上式，不过式中q＜0，因而UAA′＜0即A′点的电势高于A点。只要我们将式中的q理解为 k称为霍耳系数，与所测材料的物理性质有关。当载流子q＞0时，k＞0，所以UAA＞0；当q＜0时，k＜0，所以UAA′＜0，由 流子浓度n，以及载流子的电性能（q＞0或q＜0）。霍耳效应广泛应用于半导体材料的测试和研究中。例如用霍耳效应以确定一种半导体材料是电子型（n型——多数载流子为电子）还是“空穴”型（p型——多数载流子为空穴）。半导体内载流子的浓度受温度、杂质以及其它因素的影响很大，因此霍耳效应为研究半导体载流子的浓度的变化提供了 而对双原子价的金属以及半导体材料，霍耳系数不能写成这种形式，必须用量子理论来说明。但半导体材料的霍耳系数k与其载流子浓度n之间仍有反比关系。利用霍耳效应的霍耳元件有很多方面的用途：例如测量磁场；测量直流和交流电路中的电流强度和功率；转换信号，如把直流电流转换成交流电流并对它进行调制，放大直流或交流讯号等。 【磁单极子】一种尚未发现的基本粒子。狄拉克在1931年将电磁场加以量子化，同时预测磁单极的存在。在指出磁单极所带的磁荷必须是hc／e的整数倍（正或负）。磁单极的存在可用以解释为何一切粒子的电荷总是e的整数倍（正或负）。一切已知的磁性物质都有两个磁极，但“磁单极”却是只有一个磁极的物质。 【电动机】 电动机也称为“马达”，把电能转变为机械能的机器。利用电动机可以把发电机所产生的大量电能，应用到生产事业中去。构造和发电机基本上一样，原理却正好相反，电动机是通电于转子线圈以引起运动，而发电机则是借转子在磁场中之运动产生电流。为了获得强大的磁场起见，不论电动机还是发电机，都以使用电磁铁为宜。电动机因输入的电流不同，可分为直流电动机与交流电动机：（1）直流电动机——用直流电流来转动的电动机叫直流电动机。因磁场电路与电枢电路连结之方式不同，又可分为串激电动机、分激电动机、复激电动机；（2）交流电动机——用交流电流来转动的电动机叫交流电动机。种类较多，主要有：①整流电动机——使串激直流发电机，作交流电动机用，即成此种电动机，因交流电在磁场与电枢电路中，同时转向，故力偶矩之方向恒保持不变，该机乃转动不停。此种电动机因兼可使用交、直流，故又称“通用电动机”。吸尘器、缝纫机及其他家用电器等多用此种电动机。②同步电动机——电枢自一极转至次一极，恰与通入电流之转向同周期的电动机。此种电动机不能自己开动，必须用另一电动机或特殊辅助绕线使到达适当的频率后，始可接通交流电。倘若负载改变而使转速改变时，转速即与交流电频率不合，足使其步调紊乱，趋于停止或引起损坏。因限制多，故应用不广。③感应电动机——置转子于转动磁场中，因涡电流的作用，使转子转动的装置。转动磁场并不是用机械方法造成的，而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，可看作为转动磁场。通常多采用三相感应电动机（具有三对磁极）。直流电动机的运动恰与直流发电机相反，在发电机里，感生电流是由感生电动势形成的，所以它们是同方向的。在电动机里电流是由外电源供给的感生电动势的方向和电枢电流I方向相反。交流电动机中的感应电动机，其强大的感应电流（涡流）产生于转动磁场中，转子上的铜棒对磁力线的连续切割，依楞次定律，此感应电流有反抗磁场与转子发生相对运动的效应，故转子乃随磁场而转动。不过此转子转动速度没有磁场变换之速度高，否则磁力线将不能为铜棒所切割。 【电动机的反电动势】由电动机的转子切割磁力线而产生，其方向与外加电压相反，故称为“反电动势”。此时通过电枢线圈的电流，正比于外加电压与反电动势之差。设V为外加电压，ε为反电动势，R为直流电动机之内电阻，则通过直流电动机的电流： V=ε＋IR 电动机在开始起动时，反电动势极小，故通入的电流很大。为避免将转子烧坏，可于电路中串联一个变阻器，当电机从启动到正常运转时其电阻逐渐减小，最后到达一个正常值。大型电动机中之启动器，就是此种装置。因直流电动机在开始转动时，反电动势极小，转子内有很大电流，因而能发出很强的转动力，因此电车推动器常用此种直流电动机。在电流通过电解槽时，由于电极或电解质发生化学变化，也有反电动势发生。 【自感】电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象。在具有铁心的线圈中特别显著。如果在原线圈中通有电流，当电流发生变化时，不仅仅是付线圈因此而产生感生电动势，而且原线圈本身也造成自感电动势，有时这种电动势也被称为反电动势，因为它总是反抗本身电流的变化，这种现象在只有一个线圈的情况下，也是如此。如图3－42所示，线圈1和线圈2分别流有电流且电流随时间缓慢地改变，则穿过任何线圈的磁通量，除了由另外线圈所产生的以外，尚需考虑到自身的磁通量。故在线圈2的感生电动势，可被写成 同理线圈1的感生电动势除了决定于线圈2之电流变化，也决定于自身电流的改变，即 如果只有一个线圈，则只剩下自感电动势 L被称为自感，由线圈的几何性质而定。 【自感系数】自感系数也叫做电感，或直接称为线圈的自感，常以符号L代表，是用来表示各种电器用具（如线圈）在自感现象方面之特性的一个物理量。线圈的自感系数，就是用在线圈中电流强度每秒改变1安培时所产生的自感电动势来表示的。自感系数的单位为：当导体中电流强度每秒钟改变1安培时，若产生的自感电动势为1伏特，那么这导体的自感系数，就是1“亨利”。 【自感电动势】 沿导体流通的电流在导体周围建立起磁场，这个磁场穿过此导体所连成的电路。当导体中的电流强度发生变化时，穿过回路的磁通量就发生变化，由于电磁感应现象，回路中就有电动势发生，这就是所谓的自感电动势。这个电动势永远与产生这个电动势的电流变化方向相反（楞次定律）。即当电流增大时，自感电动势的方向和电路中电流方向相反；而在电流减小时，和电流流通的方向相同。由于这个缘故，当电路中有电流发生时，自感电动势作负功（因为它的方向与电流相反）。相反，当电路中电流消逝时，自感电动势作正功（因为它的方向与电流方向相同）。 【互感】由于一个电路中电流变化，而在邻近另一个电路中引起感生电动势的现象。也就是相互感应，是两个电路间磁力的相互作用。如果两个电路的位置排列得使一个电路内的电流所产生的磁场能够贯穿另一个电路，则第一个电路内电流强度的变化会使这个磁场发生变化，而由于电磁感应现象，也就使第二个电路内发生了电动势。第一个电路的磁场贯穿第二个电路的部分越大，则两个电路之间的互感越强。如果线圈1与线圈2共轴地套在一起。当线圈1输入电流时，它所建立的磁场亦包含在线圈2内，因此线圈1磁通量的变化即等于线圈2内的变化。如果线圈1之螺线管长为L，总圈数为N1，横截面积为A；线圈2总圈数为N2，当线圈1输入缓变电流I1，则线圈2之感应电动势为 互感的实用单位为亨利，即 相反地，如果电流输入线圈2，则在线圈1的电动势即利用线圈2建立的磁场，计算线圈1之磁通量变化率，线圈1的感应电动势也与线圈2之电流变化率成正比，故 对任意两线圈总有M12=M21，简记作M。 M叫做两线圈间的互感系数（简称互感），它表征两线圈间互感耦合的强弱。互感系数与自感系数有相同的单位。可以证明，与自感系数类似，互感系数也只取决于两线圈的几何因素（形状、大小、匝数、互相配置等）及磁介质的特性而与电流无关（有铁心时除外）。互感在电工电子学技术中应用很广，变压器就是一个重要例子。变压器中有两个匝数不同的线圈，由于互感耦合，当在一个线圈两端加上交流电压时，另一个线圈两端将感应出数值不同的电压。但变压器不能用来变换直流电压，因为线圈在直流电压作用下出现直流电流，其磁场不随时间变化，故另一线圈不会出现感生电动势（因而不会出现电压）。在实验室中，为了方便地从低压直流电源获得很高的电压，可以使用感应圈。感应圈由套在同一铁心上的两个匝数是悬殊的线圈及一个断续器构成，有无断续器是感应圈与变压器的主要差别所在。由于断续器的作用，原线圈1在接通直流电源时将出现变化电流，从而在副线圈2中感生出很高的电动势。互感现象在某些情况下也要带来不利的影响。在电子仪器中，元件之间不希望存在的互感耦合会使仪器工作质量下降甚至无法工作。在这种情况下就要减少互感耦合，例如把容易产生不利的互感耦合的元件远离或调整方向以及采用“磁场屏蔽”的措施等。 【涡流】“涡电流”的简称，也称为“傅科电流”。迅速变化的磁场在导体（包括半导体内，引起的感应电流，其流动的路线呈涡旋形，故称“涡流”。磁场变化越快，感应电动势越大，因而涡流也就越强。涡流能使导体发热。在磁场发生变化的装置中，往往把导体分成一组相互绝缘的薄片（如变压器的铁心）或一束细条（如感应圈的铁心），以减低涡流强度，从而减少能量损耗。但在需要产生高温时，又可利用涡流来取得热量，如高频电炉就是根据这一原理设计的。这种金属内部出现的涡流，是由于电磁感应情况下的洛仑兹力或感生电场力在整块金属内部引起的感应电流。涡流流动情况可用电流密度 描述，由于多数金属的电阻率很小，因此不大的感应电动势往往可以在整块金属内部激起强大的涡流。当一个铁心线圈通过交变电流时在铁心内部激起涡流。它和普通电流一样要放出焦耳热。利用涡流的热效应进行加热的方法叫做感应加热。冶炼金属用的高频感应炉就是感应加热的一个重要例子。当线圈通入高频交变电流时，在线圈中的坩埚里的被冶炼金属内出现强大的涡流，它所产生的热量可使金属很快熔化。这种冶炼方法的最大优点之一，就是冶炼所需的热量直接来自被冶炼金属本身，因此可达极高的温度并有快速和高效的特点。此外，这种冶炼方法易于控制温度，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种合金和特种钢等。涡流的热效应对变压器和电机的运行极为不利。首先，它会导致铁心温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时可使绝缘材料当即烧毁。其次，涡流发热要损耗额外的能量（叫做“涡流损耗”）使变压器和电机的效率降低。为了减小涡流，变压器和电机的铁心都不用整块钢铁而用很薄的硅钢片迭压而成。 【趋肤效应】亦称为“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。 【电磁阻尼】当一块可在磁铁两极间摆动的铜板（付科摆），电磁铁未通电时，铜板要摆动多次才停止；电磁铁一旦通电，摆动的铜板很快停下。这种现象叫做“电磁阻尼”。电磁阻尼现象不难用楞次定律来解释。按照楞次定律的第二种表述：导体在磁场中运动时由于出现感应电流（在此就是涡流）而受到的安培力必然阻碍导体的运动。图3－43所示为一付科摆的磁场中摆头的示意图。近似地认为两极间的磁场集中在虚线所围的矩形内。“X”表示磁场方向垂直线面且背离读者。由于摆在前半部分磁通在减小，涡流的磁场应与磁铁磁场同向；摆的后半部分磁通在增大，涡流的磁场应与磁铁磁场反向。因此，涡流方向大致如图中箭头所示，以涡流线abcda为例分析受力情况。ab边和cd边受力不是向上就是向下，对摆动没有影响。ad边尚未进入磁场，故不受力。由左手定则可知bc边受力方向向右，即为阻力。电磁阻尼在实际中应用很广。使用电学测量仪表时，为了便于读数，希望指针能迅速稳定在应指的位置上而不左右摇摆。为此，一般电学测量仪表都装有阻尼器。它就是用电磁阻尼的原理来得到阻尼作用的。此外，磁电式电流计的线圈常绕在一个封闭铝框上，测量时，铝框随线圈在磁场中转动，铝框由于感应电流而受到安培力，同样起到电磁阻尼作用。除了仪表之外，电磁阻尼作用还常用于电气机车的电磁制动器中。 【电磁驱动】 在磁场运动时带动导体一起运动，这种作用称为“电磁驱动”作用。如图3－44所示，当磁铁转动时，设某时刻磁铁的N极处在金属圆盘的半径Oa处，根据楞次定律此时在圆盘上将产生如图所示的涡流，结果在该半径处形成由a流向O处的感应电流。该感应电流处于旋转磁场中，将受到磁场的作用力。此力将产生一个促使金属圆盘按磁场旋转方向发生转动的力矩。此时从磁铁S极处产生的感应电流所受的力而产生的力矩，同样是促使金属圆盘按磁场旋转的方向发生转动。结果金属圆盘按磁场的转动方向发生旋转。但是如果圆盘的转速达到了与磁场转速一样，则两者的相对速度为零，感应电流便不会产生，这时电磁驱动作用便消失。所以在电磁驱动作用下，金属圆盘的转速总要比磁铁或磁场的转速小，或者说两者的转速总是异步的。感应式异步电动机就是根据这个原理制成的。电磁驱动作用可用来制造测量转速的电表，这类转速表常称为磁性式转速表。我们知道在发电机中为了保证产生的交流电频率f=50秒-1，就必须控制转子的转速。在其他情况中，为了充分发挥机器的效率和正确地使用机器，也常需测量其转速，然后进一步加以控制和调节。用磁性式转速表测量转速时，将被测机器的转轴通过连接器和传动机构与转速表中的永久磁铁的转轴相连，永久磁铁一般是由一块充以四个极的磁钢制成，这便形成一个旋转磁场。在永久磁铁的上方有一个金属圆盘，称为感应片。感应片与永久磁铁间有很小的气隙，两者互不接触。当永久磁铁随着机器的转旋转时，感应片上将产生涡流，这涡流又将受到这旋转磁场的作用力，结果感应片被驱动，从而沿永久磁铁的旋转方向运动。感应片的转动将带动与感应片转轴相连的弹簧，将其扭紧，从而产生弹性恢复转矩。最后，当感应片转过一定的角度，由电磁驱动作用产生的转矩刚巧与弹性恢复的转矩抵消时，便达到一个暂时平衡状态。由机器带动转动的永久磁铁转速越快，感应片受到的电磁驱动作用所产生的转矩越大，因而指针的偏转角度就越大。这样，便可通过指针的偏转角度来显示机器的转速。 【在流电】简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。我国交流电供电的标准频率规定为50赫兹。交流电随时间变化的形式可以是多种多样的。不同变化形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。以正弦交流电应用最为广泛，且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后，化成为正弦交流电的迭加。正弦电流（又称简谐电流），是时间的简谐函数 i=Imsin（ωt+φ0） 图3－45表示上式的电流i随时间的变化规律，由此看出：正弦交流电需用频率、峰值和位相三个物理量来描述。交流电所要讨论的基本问题是电路中的电流、电压关系以及功率（或能量）的分配问题。由于交流电具有随时间变化的特点，因此产生了一系列区别于直流电路的特性。在交流电路中使用的元件不仅有电阻，而且有电容元件和电感元件，使用的元件多了，现象和规律就复杂了。 (责任编辑：admin) |