磁场对运动电荷的作用 (3)精选文档.ppt

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1、磁场对运动电荷的作用1本讲稿第一页，共十四页电量为电量为 q 电荷在磁场中受到的洛电荷在磁场中受到的洛仑兹力：仑兹力：大小大小:一、洛仑兹力一、洛仑兹力方向方向:垂直由垂直由 和和 构成的平面。构成的平面。洛仑兹力不对运动电荷作功，它洛仑兹力不对运动电荷作功，它只改变带电粒子的运动方向，并不改只改变带电粒子的运动方向，并不改变带电粒子的速率和动能。变带电粒子的速率和动能。2本讲稿第二页，共十四页 运动轨迹为一圆周，洛伦兹力运动轨迹为一圆周，洛伦兹力充当向心力。充当向心力。周期：周期：1.1.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动1.带电粒子垂直进入磁场带电粒子垂直进入磁场有：有：

2、结论结论 周期与粒子运动速度无关，速度大的粒子轨道半径大，走周期与粒子运动速度无关，速度大的粒子轨道半径大，走的路程长，速度小的粒子轨道半径小走的路程短，但周期都是的路程长，速度小的粒子轨道半径小走的路程短，但周期都是相同的。相同的。3本讲稿第三页，共十四页由于由于 ，带电粒子不受力，作匀速直线运动。带电粒子不受力，作匀速直线运动。2.带电粒子平行进入磁场带电粒子平行进入磁场3.带电粒子以任意角度进入磁场带电粒子以任意角度进入磁场播放动画播放动画带电粒子以带电粒子以 角进入磁场角进入磁场。其合运动为螺旋线运动。其合运动为螺旋线运动。在垂直在垂直磁场磁场的方向上作圆周运的方向上作圆周运动，在平行

3、于磁场动，在平行于磁场 的方向上作匀的方向上作匀速直线运动。速直线运动。4本讲稿第四页，共十四页螺距螺距h：螺线上相邻两个圆周的对应点之间的距离。螺线上相邻两个圆周的对应点之间的距离。*磁聚焦磁聚焦一束发散角不大的带电粒子束，若这些粒子沿磁场方向的一束发散角不大的带电粒子束，若这些粒子沿磁场方向的分速度大小又一样，它们有相同的螺距，经过一个周期它分速度大小又一样，它们有相同的螺距，经过一个周期它们将重新会聚在另一点这种发散粒子束会聚到一点的现象们将重新会聚在另一点这种发散粒子束会聚到一点的现象叫叫磁聚焦。磁聚焦。h5本讲稿第五页，共十四页 它广泛应用于电真空器件中如电子显微镜中。它起它广泛应用

4、于电真空器件中如电子显微镜中。它起了光学仪器中的透镜类似的作用。了光学仪器中的透镜类似的作用。2.2.带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动一个带电粒子一个带电粒子进入轴对称会进入轴对称会聚磁场，如图聚磁场，如图所示，在所示，在YZ平平面内的速度分面内的速度分量与磁场的量与磁场的 X分量的洛仑兹分量的洛仑兹力，使其在力，使其在YZ平面内做圆周平面内做圆周运动。运动。由于磁场的不均匀，洛由于磁场的不均匀，洛仑兹力的大小要变化，仑兹力的大小要变化，所以不是匀速圆周运动。所以不是匀速圆周运动。且半径逐渐变小。且半径逐渐变小。6本讲稿第六页，共十四页当有一个向强场方向的当有一个向强场

5、方向的速度分量，它不仅螺旋速度分量，它不仅螺旋前进，而且还受一个反前进，而且还受一个反方向的力，阻止它前进。方向的力，阻止它前进。最后使沿磁场的最后使沿磁场的运动被抑制，而运动被抑制，而被迫反转。象被被迫反转。象被“反射反射”回来一样。这回来一样。这称之为磁镜。称之为磁镜。在在a点受力分析：点受力分析：有使得粒子有使得粒子Vz逐渐增逐渐增大的力，也有使其大的力，也有使其减少的力。减少的力。结论：结论：带电粒子进入轴对称的会聚磁场，它便被约束带电粒子进入轴对称的会聚磁场，它便被约束在一根磁力线附近的很小范围内，它只有纵向沿磁力线在一根磁力线附近的很小范围内，它只有纵向沿磁力线的运动，而无横向跨越

6、。或说在横向输运过程中它受到的运动，而无横向跨越。或说在横向输运过程中它受到很大的限制。很大的限制。7本讲稿第七页，共十四页*磁约束磁约束用于受控热核用于受控热核反应中反应中*范阿仑辐射带范阿仑辐射带Van Allen belts地轴地轴 带电粒子（如宇宙射线的带电粒带电粒子（如宇宙射线的带电粒子）被地磁场捕获，绕地磁感应线子）被地磁场捕获，绕地磁感应线作螺旋线运动，在近两极处地磁场作螺旋线运动，在近两极处地磁场增强，作螺旋运动的粒子被折回，增强，作螺旋运动的粒子被折回，结果沿磁力线来回振荡形成范阿仑结果沿磁力线来回振荡形成范阿仑辐射带。辐射带。因为它具有较高的能量，因为它具有较高的能量，曾在

7、人造卫星的发射等曾在人造卫星的发射等空间科学中发现了它，空间科学中发现了它，并给予了必要的考虑。并给予了必要的考虑。当太阳黑子活动引起空间磁场的变化，当太阳黑子活动引起空间磁场的变化，使粒子在两极处的磁力线引导下，在两使粒子在两极处的磁力线引导下，在两极附近进入大气层，能引起美妙的北极极附近进入大气层，能引起美妙的北极光。光。8本讲稿第八页，共十四页 以速度以速度 v v 置入一带电量为置入一带电量为 q 的粒子，粒子受到电场和磁场的的粒子，粒子受到电场和磁场的共同作用。共同作用。+-E E速速度度选选择择器器F Fef fLB B 当粒子速度较小时，电场力大于洛伦兹力，粒子向左偏转当粒子速度

8、较小时，电场力大于洛伦兹力，粒子向左偏转被左极板吸收。被左极板吸收。(1)质谱仪的工作原理质谱仪的工作原理1.质谱仪质谱仪 当粒子速度较大时，电场力小于洛伦兹力，粒子向右当粒子速度较大时，电场力小于洛伦兹力，粒子向右偏转被右极板吸收。偏转被右极板吸收。当粒子速度满足电场力等于洛伦兹力时，当粒子速度满足电场力等于洛伦兹力时，粒子竖直向下运动穿过狭缝进入下方磁场粒子竖直向下运动穿过狭缝进入下方磁场 B B；通过调整通过调整E E 和和B B可选择粒子可选择粒子速度。速度。二、带电粒子在磁场和电场中的运动二、带电粒子在磁场和电场中的运动9本讲稿第九页，共十四页RB+-vE速速度度选选择择器器FefL

9、B质量大的同位素粒子，轨道半径大，质量小的同位素粒子，质量大的同位素粒子，轨道半径大，质量小的同位素粒子，轨道半径小。不同质量的粒子在胶片屏上留下不同的质谱线。轨道半径小。不同质量的粒子在胶片屏上留下不同的质谱线。在在 B 中作圆周运动的轨道半径中作圆周运动的轨道半径为：为：根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。(2)同位素同位素 有相同的质子数和电子数，有相同的质子数和电子数，但中子数不同的元素。它们的化但中子数不同的元素。它们的化学性质相同，无法用化学的方向学性质相同，无法用化学的方向将它们分离开。将它们分离开。由由 知知:质谱线：质谱线：10本讲稿第

10、十页，共十四页其结构为金属双其结构为金属双 D 形盒，在其形盒，在其上加有磁场和交变的电场。上加有磁场和交变的电场。2.回旋加速器回旋加速器由于金属具有静电屏蔽作用，由于金属具有静电屏蔽作用，带电粒子在磁场的作用下作圆带电粒子在磁场的作用下作圆周运动，进入缝隙后，电场极周运动，进入缝隙后，电场极性变换，粒子被反向加速，进性变换，粒子被反向加速，进入右半盒，由于速度增加，轨入右半盒，由于速度增加，轨道半径也增加。然后又穿过缝道半径也增加。然后又穿过缝隙，电场极性又变换，粒子不隙，电场极性又变换，粒子不断地被加速。断地被加速。将一粒子置于双将一粒子置于双 D形盒的形盒的缝隙处，在电场的作用下，进缝

11、隙处，在电场的作用下，进入左半盒。入左半盒。BB11本讲稿第十一页，共十四页(1)原因原因:是由于运动电荷在磁是由于运动电荷在磁场中受洛伦兹力的结果。场中受洛伦兹力的结果。载流导体的宽为载流导体的宽为 b，厚为厚为 d。通有电流。通有电流 I。1879年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与年霍耳发现，把一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的方向上出现横向电势电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。差，这一现象称之为霍耳现象。IbdVHq3.霍尔效应霍尔效应以载流子是正电荷为例以载流子是正电荷为例,为

12、霍尔系数。为霍尔系数。12本讲稿第十二页，共十四页而半导体界于导体与绝缘体之间，而半导体界于导体与绝缘体之间，其内的自由电荷较少，其内的自由电荷较少，n 较小，较小，RH 较较大，故半导体的霍尔效应显著。大，故半导体的霍尔效应显著。由于导体内有大量的自由电荷，由于导体内有大量的自由电荷，n 较较大，大，RH 较小，故导体的霍尔效应较弱。较小，故导体的霍尔效应较弱。(2)讨论讨论:由由 VH 的正负就可知道半导体的类型。的正负就可知道半导体的类型。测量半导体的性质测量半导体的性质 半导体根据掺杂不同，有空穴半导体根据掺杂不同，有空穴型（型（p型）半导体，和电子型（型）半导体，和电子型（n型）型）

13、半导体。半导体。P型半导体的主要载流子型半导体的主要载流子为正电荷；为正电荷；n型半导体的主要载型半导体的主要载流子为负电荷流子为负电荷.(3)霍尔效应的应用霍尔效应的应用13本讲稿第十三页，共十四页 测量磁场测量磁场由由可知：可知：利用此原理制成高斯计测量外界利用此原理制成高斯计测量外界磁场。探头用霍尔元件制成，通过测磁场。探头用霍尔元件制成，通过测量量 VH，折算成，折算成 B。探头探头高高斯斯计计 测量大电流测量大电流-几万安培几万安培IB 用霍尔元件测量大电流周围的磁场，可用霍尔元件测量大电流周围的磁场，可推算出动力线中流过的电流推算出动力线中流过的电流 I。由由可知可知 B，再由无限电流，再由无限电流 I 与与 B 之间的之间的关系可知关系可知 I。14本讲稿第十四页，共十四页