普通物理学(程守洙 江之永主编) 8

1、8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动IP*一一 毕奥毕奥萨伐尔定律萨伐尔定律(电流元在空间产生的磁场电流元在空间产生的磁场)30d4drrlIB真空磁导率真空磁导率 270AN104lIdBd30d4drrlIBB 任意载流导线在点任意载流导线在点 P 处的磁感强度处的磁感强度磁感强度叠加原理磁感强度叠加原理rlIdrBd上学期知识回顾上学期知识回顾8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动12PCDyxzoI）（2100coscos4rIB无限长无限长载流长直导线的磁场载流长直导线的磁场.021002rIBIBrIB20IBX X上学期知识回

2、顾上学期知识回顾8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动Ix20d4drlIBrBdBBlIdpRo*圆形载流导线的磁场圆形载流导线的磁场.2322202）（RxIRB上学期知识回顾上学期知识回顾8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动op1xx2x+ + + + + + + + +21载流直螺线管的磁场载流直螺线管的磁场120coscos2nIB无限长的无限长的螺线管螺线管 nIB0上学期知识回顾上学期知识回顾8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动二、二、 磁磁 感感 线线 规定规定：曲线上每一点的：曲线上每一点的切线

3、方向切线方向就是该点的磁感就是该点的磁感强度强度 B 的方向的方向，曲线的，曲线的疏密程度疏密程度表示该点的磁感强表示该点的磁感强度度 B 的大小的大小.SNB磁场中某点处垂直磁场中某点处垂直 矢量矢量的单位面积上通过的磁感的单位面积上通过的磁感线数目等于该点线数目等于该点 的数值的数值.BB电流磁感应线与电流套连与电流套连闭合曲线闭合曲线( (磁单极子不存在磁单极子不存在) )互不相交互不相交方向与电流成右手螺旋关系方向与电流成右手螺旋关系磁感磁感线的线的特点特点上学期知识回顾上学期知识回顾I直线电流的直线电流的 磁感线磁感线I圆电流的圆电流的 磁感线磁感线II通电螺线管的磁感线通电螺线管的

4、磁感线8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动+上学期知识回顾上学期知识回顾8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动sSdBeBSdBneSSSBSdcosdBe 闭合曲面的磁通量闭合曲面的磁通量SdBdeBSdBS 通过电场中某一个面的通过电场中某一个面的磁感磁感线数叫做通过这个面的线数叫做通过这个面的磁通量磁通量. .上学期知识回顾上学期知识回顾三三 磁通量磁通量8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动0dSSB 穿过任意闭合曲面穿过任意闭合曲面S S的总磁通必然为零，这就的总磁通必然为零，这就是磁场的是磁场的高斯定理

5、高斯定理。说明磁场是说明磁场是无源场无源场。四、磁场的高斯定理四、磁场的高斯定理 由磁感应线的闭合性可知，对任意闭合曲面，由磁感应线的闭合性可知，对任意闭合曲面，穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同，穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同，因此，通过任何闭合曲面的磁通量为零。因此，通过任何闭合曲面的磁通量为零。磁场的高斯定理磁场的高斯定理上学期知识回顾上学期知识回顾8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动五、五、 安培环路定理安培环路定理oIRlBld安培环路定理安培环路定理niiIlB10d8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动xy

6、zo一一 带电粒子在电场和磁场中所受的力带电粒子在电场和磁场中所受的力磁场力磁场力（洛仑兹力洛仑兹力）BqF vm+qvBmFsinqvBF 大小：大小： 方向：方向： 的方向的方向 Bv（右手螺旋定则）（右手螺旋定则）带电粒子所受洛伦兹力总是和带电粒子运动方向垂直，带电粒子所受洛伦兹力总是和带电粒子运动方向垂直，故它只能改变带电粒子运动方向，不改变速度大小故它只能改变带电粒子运动方向，不改变速度大小，即洛伦兹力不作功。即洛伦兹力不作功。8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动二二 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动1. 1. 当带电粒子沿磁场方向运动时，当带电粒

7、子沿磁场方向运动时，V/B:V/B:粒子作匀速直线运动。粒子作匀速直线运动。0sinqvBF0v8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动RmBq200vvqBmR0vB0vqBmRT220vmqBTf212 . V B, 粒子作回旋频率粒子作回旋频率回旋半径回旋半径回旋频率回旋频率8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动vvv/sinvv 与与 不垂直不垂直Bvcosvv/qBmT2qBmRvqBmd2cosvTv/螺距螺距3 3、 如果如果 与与 斜交成斜交成 角，角，粒子作螺旋运动粒子作螺旋运动B0v8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒

8、子在电场和磁场中的运动F2F1BvFBv线圈线圈三、带电粒子在非均匀磁场中运动三、带电粒子在非均匀磁场中运动8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动（1 1）磁约束装置（磁镜）磁约束装置（磁镜）8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动当来自外层空间的大量粒子当来自外层空间的大量粒子( (宇宙射线宇宙射线) )进入地球磁进入地球磁场范围场范围, ,粒子将绕地磁感应线作螺旋运动粒子将绕地磁感应线作螺旋运动, ,因为在近因为在近两极处地磁场增强两极处地磁场增强, ,作螺旋运动的粒子将被折回作螺旋运动的粒子将被折回, ,结结果果粒子在沿磁感应线的区域内来

9、回振荡粒子在沿磁感应线的区域内来回振荡, ,形成一个形成一个带电粒子区域带电粒子区域, ,称称范艾仑辐射带范艾仑辐射带, ,此带相对地球作对此带相对地球作对称分布。称分布。（2 2）范艾仑辐射带）范艾仑辐射带：宇宙中的磁约束现象：宇宙中的磁约束现象8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动范艾仑辐射带的形成示意图范艾仑辐射带的形成示意图8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动包围地包围地球外围球外围的范艾的范艾仑辐射仑辐射带带19581958年人造卫星的探测发现年人造卫星的探测发现,范艾仑辐射带有两层范艾仑辐射带有两层, ,内层在距地面内层在距地面

10、800-4000Km800-4000Km处处, ,外层在外层在60000Km60000Km处。处。美丽的美丽的极光极光8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动极光的产生是由于有时太阳黑子活动，太阳极光的产生是由于有时太阳黑子活动，太阳喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在地磁喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在地磁感应线的引导下在地球南北极附近进入大气层感应线的引导下在地球南北极附近进入大气层时将使大气激发，然后辐射发光，从而出现美时将使大气激发，然后辐射发光，从而出现美丽的北极光。丽的北极光。8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动 带有电荷量带

11、有电荷量 的粒子在静电场的粒子在静电场 和磁场和磁场 中中以速度以速度 运动时受到的作用力将是：运动时受到的作用力将是：EqBvBvqEqF1.8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动 应用应用 电子光学电子光学 , 电子显微镜等电子显微镜等 .2. 磁聚焦磁聚焦 在均匀磁场中某点在均匀磁场中某点 A 发射一束初速相差发射一束初速相差不大的带电粒子不大的带电粒子, 它们的它们的 与与 之间的夹角之间的夹角 不不尽相同尽相同 , 但都较小但都较小, 这些粒子沿半径不同的螺旋线这些粒子沿半径不同的螺旋线运动运动, 因螺距近似相等因螺距近似相等, 都相交于屏上同一点都相交于屏

12、上同一点, 此现此现象称之为磁聚焦象称之为磁聚焦 .0vB8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动B显象管中电子的磁聚焦装置示意图显象管中电子的磁聚焦装置示意图8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动1D2D真空室 接高频电源 离子源 D型盒引出离子束 D形盒形盒电磁铁电磁铁电磁铁电磁铁离子源回旋加速器是核物理、高能物理实验中用来获得回旋加速器是核物理、高能物理实验中用来获得高能带电粒子的设备，下图为其结构示意图。高能带电粒子的设备，下图为其结构示意图。3 . 回旋加速器回旋加速器8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动m

13、qBf2mqBR0v2k21vmE 频率与半径无关频率与半径无关到半圆盒边缘时到半圆盒边缘时mRBqE22022k回旋加速器原理图回旋加速器原理图NSB2D1DON8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动3 . 回旋加速器回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室型室. 此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，的能量，为此为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动 我国于我国于1994年建年建成的第一成的第一

14、台强流质台强流质子加速器子加速器 ，可产生数可产生数十种中短十种中短寿命放射寿命放射性同位素性同位素 .8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动4 . 质谱仪质谱仪RmBq2vvvRBqm7072 73 74 76锗的质谱锗的质谱.1p2p+-2s3s1s速度选择器速度选择器照相底片照相底片质谱仪的示意图质谱仪的示意图8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动5 . 磁约束磁约束受控核聚变受控核聚变受控聚变能是在等离子体状态下实现的什么是等离子体Whats Plasma？8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动固体 冰液体

15、水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动In solids, liquids, and gases electrons are normally bound to and orbit around the nucleus of an atom8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动In a plasma, the electrons are stripped away from the nucleus. 8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动等离子是由大量的

16、数目相同的正、负带电粒等离子是由大量的数目相同的正、负带电粒子构成的准中性系统。子构成的准中性系统。8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动In the universe, plasma is the most abundant state of matter（99.9%) 8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动In fusion, two light atoms such as hydrogen are brought together (or fused) to form a

17、new element, thereby releasing energy8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动Only tremendous heat and pressure will cause the nuclei to fuse. Such temperatures and pressures occur naturally in stars and are caused by gravitational forces+Pulling nuclear force +8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动The fusion of t

18、wo hydrogen (H) atoms requires much higher temperatures than do mixtures of its two isotopes deuterium (D) and tritium (T)8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动托卡马克装置原理示意图托卡马克装置原理示意图8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动国际热核聚变实国际热核聚变实验装置验装置(ITER)8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动托卡马克装置环型容器内部实景托卡马克装置环型容器内部实景1879年霍

19、耳年霍耳（A.H.Hall）发现：在匀强发现：在匀强磁场中通电的金属导体板的上下表面出现横磁场中通电的金属导体板的上下表面出现横向电势差，这一现象称为向电势差，这一现象称为BI+ + + + + + +ab实验指出：实验指出：BbUHI=BbUHIRHRH霍耳系数霍耳系数，它是和材料的性质有关，它是和材料的性质有关的常数的常数UH8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动霍 耳 效 应8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动dBIbHUdIBRUHH霍耳电压霍耳电压BqqEdHvBEdHvBbUdHvnqdIBUHnqR1H霍耳霍耳系数系数+qdv+ + + + + - - - - -eFmFbdqndvSqnIdv8 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动I+ + +- - -P 型半导体型半导体+-HUBmFdv霍耳效应的应用霍耳效应的应用2）测量磁场测量磁场dIBRUHH霍耳电压霍耳电压1）判断半导体的类型判断半导体的类型mF+ +