磁场对运动电荷作用力洛仑兹力实用教案

1、1一 、洛仑兹力 磁场对运动(yndng)电荷施以的磁场力是洛仑兹力。mfqB点电荷运动(yndng)速度点电荷处于场点处的磁感强度点电荷电量BqBqmf洛仑兹力大小(dxio)为sinmfq Bmaxfq Bmf洛仑兹力对施力点电荷不作功第1页/共20页第一页，共21页。2 二、带电粒子在磁场(cchng)中运动 1. 带电粒子在均匀磁场(cchng)中运动设均匀磁场(cchng)磁感应强度为 ，B带电粒子质量(zhling)为m ，电量为q，设粒子(lz)初速度为 。0B1）粒子运动方向平行于磁感应强度q0粒子不受力粒子做匀速直线运动2）粒子运动方向垂直于磁感应强度0mfqB粒子做匀速圆周

2、运动。Bq0mfR第2页/共20页第二页，共21页。3l 圆周(yunzhu)半径回旋半径200qBmR得0mRqBq0BmfR半径与垂直(chuzh)磁场的速度成正比。l 粒子运动(yndng)的周期022RmTqB表明：同种粒子（m/q相同），不管其垂直磁场方向的速度如何，在同样均匀磁场中圆周运动的周期相同。与速度无关l 粒子运动的磁回旋频率mqBm由第3页/共20页第三页，共21页。4 粒子在垂直磁场(cchng)的平面里做圆周运动同时又沿磁场(cchng)方向匀速运动 粒子做螺旋运动3）粒子运动速度方向(fngxing)任意 将上述两种情况综合。 设粒子初速度与磁感强度之间夹角为 。0

3、000000sin00cosBq0mf第4页/共20页第四页，共21页。5R 螺旋(luxun)半径00sinmmRqBqB0coshT02cosmqB 螺距(luj)B0/0vh0第5页/共20页第五页，共21页。6应用 1）电真空器件中的磁聚焦电子枪发射出一束电子，这束电子动能几乎(jh)相同，准直装置保证各电子动量几乎(jh)平行于磁感线。由于发散角小，所以(suy)各电子00各螺距(luj)相同02mhqBB粒子源A接收器A每经过一个周期，电子束的各电子再会聚。第6页/共20页第六页，共21页。72）质谱仪mRqB同位素分离(fnl)Rm+-vEFefLBRBq胶胶片片屏屏质质谱谱线线

4、efmfFffemqEqBv当0F/E B各类粒子(lz)从狭缝(xi fn)穿出第7页/共20页第七页，共21页。82.带电粒子在非均匀磁场(cchng)中运动在非均匀磁场(cchng)中带电粒子运动的特征。1）向磁场较强方向运动时，螺旋(luxun)半径不断减小1mRRBqB即根据是：Bf/ffe磁镜2）粒子受到的洛仑兹力 恒有一个指向磁场较弱方向的分力，从而阻止(zzh)粒子向磁场较强方向的运动，可使粒子沿磁场方向的速度减小到零 从而反向运动。第8页/共20页第八页，共21页。91）磁约束(yush) 在非均匀(jnyn)磁场中，速度方向与磁场不同的带电粒子，也要作螺旋运动，但半径和螺距

5、都将不断发生变化横向(hn xin)磁约束:强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近。 减少粒子的纵向前进速度，使粒子运动发生“反射” 。纵向磁约束:/fBf/ffe磁镜线圈线圈B高温等离子体磁镜效应的典型应用能约束运动带电粒子的磁场分布称为磁镜约束 磁瓶。第9页/共20页第九页，共21页。10太阳风与磁层第10页/共20页第十页，共21页。11密度(cm-3)温度(度)太阳核心 磁约束聚 变霓虹灯 北极光 火 焰闪电日冕 氢弹星际空间荧光气体液 体固 体人类居住环境惯性聚变星 云太阳风等离子体参数(cnsh)空间第11页/共20页第十一页，共21页。122）极光(jgung)由于地磁场俘获(fh

6、u)带电粒子而出现的现象。第12页/共20页第十二页，共21页。13 在地磁两极附近，由于磁感线与地面近似垂直，外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内。它们和空气分子的碰撞产生的辐射(fsh)就形成了极光。绚丽多彩(xun l du ci)的极光第13页/共20页第十三页，共21页。143）磁流体船B电流BF海水进水出水发动机接发电机IF电极第14页/共20页第十四页，共21页。15三、 霍尔效应1. 霍尔效应在磁场中，载流导体或半导体上出现横向(hn xin)电势差的现象。2. 霍尔电压 霍尔效应中产生的电势差。如上图中导体上下两端(lin dun)面出现电势差。1879年美国物理学家

7、霍尔发现第15页/共20页第十五页，共21页。163. 形成(xngchng)机制以载流子为正电荷为例说明(shumng),设载流子速度(sd)为 。fq B 上端积累了正电荷， 下端积累了负电荷。l 洛仑兹力使载流子横向漂移, 出现电荷积累。BIvBbdfLFeVHELfqBvl 横向电场力:l 洛伦兹力受力分析: Eqfe(方向向上)(方向向下)l 洛仑兹力与电场力平衡 时，载流子不再漂移，上下两端形成电势差 。HV第16页/共20页第十六页，共21页。17由于(yuy)电荷的积累，形成静电场霍尔电场eHFqEHE电荷(dinh)受电力电势差为HHVE bBbIvBbdfLFeVHEmfB

8、efEHEB0)(BqEqv当达到(d do)动态平衡时：4. 霍尔系数 霍尔电阻电流强度Inqdbn单位体积中的粒子数InqdbHIBVBbnqd霍尔系数1/nq霍尔电阻HHVBRBInqd第17页/共20页第十七页，共21页。18讨论1）霍尔效应(xioyng)的应用由式HIBVBbnqdl 可测载流子的正负(zhn f)和浓度；l 可测磁感强度 。B2）量子霍尔效应 1980年 德国物理学家克里青发现(fxin)：霍尔电阻与磁场成非线性关系，这一效应叫量子霍尔效应。在极低温、强磁场下1,2,3,KHRRnn，225812.80KhRe克里青（Klitzing）常量1990年定义RK 的测量准确到10 -10 125812.80KR研究半导体材料性质（浓度随杂质、温度等变化）l 区分半导体材料类型 霍尔系数的正负与载流子电荷性质有关第18页/共20页第十八页，共21页。19B/Tn = 4n = 3n = 21.39K，25.52A51015量子(lingz)霍尔效应第19页/共20页第十九页，共21页。第14章 磁力(cl)20感谢您的观看(gunkn)！第20页/共20页第二十页，共21页。NoImage内容(nirng)总结1。圆周半径回旋半径。粒子做螺旋运动。横向磁约束:强磁场可约束带电粒子在一根磁场线附近。磁镜效应的典型应用(yngyng)。 磁瓶。第10页/共