磁场对运动电荷的作用学习教案

1、会计学1磁场对运动电荷磁场对运动电荷(dinh)的作用的作用第一页，共18页。2二、带电粒子在匀强磁场中的运动(yndng) 1. vB的情形(qng xing) 带电粒子在垂直于磁场的平面内匀速圆周运动(yndng)，洛伦兹力提供向心力 速率大的粒子圆周运动半径大，速率小的粒子半径小，但它们运行一周所需要的时间却都相等。 这个重要结论是回旋加速器的理论依据。 单位时间内粒子运行圈数称带电粒子的回旋频率。 RmvqvB2qBmvR qBmvRT22mqBTf21第1页/共18页第二页，共18页。3 2. v与B间有任意(rny)夹角 离子旋转半径qBmVR v分解为垂直于磁场分量(fn lin

2、g)和平行于磁场分量(fn ling)：v=vsin, v/=vcos 两个分量同时(tngsh)存在，粒子沿磁场的方向作螺旋线运动。BhhR一周期内粒子沿磁场方向移动的距离为螺距。qBmvTvh/2 螺距h 与v无关。无论带电粒子以多大速率沿何种方向进入磁场，只要平行磁场的速度分量v/ 相同，则运动轨迹的螺距就一定相等。第2页/共18页第三页，共18页。4* 磁聚焦(jjio)(magnetic focusing) 如果v/ 相同的带电粒子从同一点射入磁场，那么(n me)它们必定在沿磁场方向上与入射点相距螺距h整数倍的地方又会聚在一起。这种类似光聚焦的现象称磁聚焦。 它广泛应用与电真空器件

3、中。电子显微镜中的磁透镜就是磁聚焦(jjio)原理的应用。BhB第3页/共18页第四页，共18页。5 三、带电粒子比荷(specific charge)的测定(cdng) 粒子所带电(di din)量和质量是粒子的基本性质，电量与质量之比 称为比荷。 1. 电子(dinz)比荷的测定 用磁聚焦法测定电子比荷的一种装置 lBOC 电子从阳极小孔中射出时的动能mv2/2=eU，求得电子运动速率为 ve Um2 第4页/共18页第五页，共18页。6 电子运动速率接近光速时，根据相对论规律，电子质量将增大(zn d)，其比荷的绝对值将明显减小。 当电子的速率(sl)远小于光速时，其比荷的绝对值为 e/

4、m = 1.759 1011 Ckg1 .可求得电子(dinz)的比荷 螺距h等于l，即 hlmveB 2emUl B8222 第5页/共18页第六页，共18页。7向心力就是(jish)离子所受洛伦兹力 同位素离子将落在底片(dpin)不同位置上，形成质谱。根据谱线条数、位置可确定同位素种数和质量。 2.离子(lz)比荷的测定 测离子比荷的仪器为质谱仪 (mass spetrometer) 质量m电量q 的带电粒子经过滤速器后，飞入磁场做圆周运动，落在感光片 A 处，A2B0Sqv1BE+*速度选择器/滤速器:1qvBqE1BEvqvBMvR222RBvMq21BRBEMq第6页/共18页第七

5、页，共18页。8四、霍耳效应(hu r xio yn)(Hall effect) 当电流沿垂直于外磁场方向流过导体时，在垂直于电流和磁场方向的导体两侧将出现电势差的现象称为霍耳效应(hu r xio yn)，相应的电势差称为霍耳电势差。 由于出现霍耳电势差使导体中出现相应(xingyng)电场，称为霍耳电场。 BvfmlhV2EVVlH12V1fH 载流子向导体平板的左侧聚集使导体平板左、右两侧出现电势差。第7页/共18页第八页，共18页。9I= jlh = nqvlh平衡(pnghng)时 fm= fH 载流子在霍耳电场中运动受到电场力作用 fqEqVVlHH12qvBqVVl12VVnqI

6、Bh121霍耳系数，数值与载流子的浓度和电量的乘积成反比。nqK1HVVKIBh12H霍耳电势差 第8页/共18页第九页，共18页。10测量(cling)磁感应强度；*霍耳效应(hu r xio yn)的应用 半导体载流子浓度很小，霍耳效应十分明显，是研究半导体中载流子(电子或空穴)随温度、杂质以及其它因素变化的重要(zhngyo)手段。 测量载流子类型和浓度；测量电流和电功率； 等离子体的霍耳效应是磁流体发电的理论依据。电信号的转换和运算。 1980年德国冯克利清在绝缘的SiO2层与p型半导体Si层相接触形成的界面中发现量子霍耳效应。第9页/共18页第十页，共18页。11反型层霍耳电阻率H为

7、霍耳电场与电流密度之比，即 EH=H jx jnevneEBxHHBne 1982年崔琦等发现分数量子(lingz)霍耳效应，低温下在高迁移率的二维电子系统中观测到霍耳电阻满足he225812806.提供绝对电阻标准等72,58,57,54,53,52,51,35,34,32,31,2FeFhRHRhNeH2在霍耳电阻率与电子浓度反比关系上出现量子化平台，整数量子霍耳效应第10页/共18页第十一页，共18页。12根据(gnj)洛伦兹力提供向心力得mv=eRBR 只要轨道上磁感应强度随电子动量成比例地增加，电子就能够在一个固定(gdng)的轨道上运行并被加速。 利用(lyng)变化磁场中涡旋电场

8、加速电子。 *五、电子感应加速器(betatron) 电子被加速后能量可达数百兆电子伏特, 高能电子束可直接用于核物理实验，也可用于轰击靶以产生人工射线，还可以用来产生硬X射线，作无损探伤或癌症治疗之用。 第11页/共18页第十二页，共18页。13* 范阿仑辐射(fsh)带(Van Allen belts)地轴 带电粒子(如宇宙射线的带电粒子)被地磁场捕获(bhu)，绕地磁感应线作螺旋线运动，在近两极处地磁场增强，作螺旋运动的粒子被折回，结果沿磁感应线来回振荡形成范阿仑辐射带。 因为它具有较高的能量，曾在人造卫星的发射(fsh)等空间科学中发现了它，并给予了必要的考虑。 当太阳黑子活动引起空间

9、磁场的变化，使粒子在两极处的磁力线引导下，在两极附近进入大气层，能引起美妙的北极光。第12页/共18页第十三页，共18页。14磁束 如下图所示，非均匀磁场具有(jyu)轴对称分布，中间区域的磁场较弱，两端的磁场较强。因为带电粒子能被束缚在这类磁场中，这种磁场有时称为磁束。 假设带正电的粒子以垂直于纸面向里的速度v进入图中的P1点，由于此处B的轴向分量，带电粒子将作圆周运动。B还有一个(y )不大的向上径向分量，此分量使作回旋运动的带电粒子受到一指向右边的力。 P3点刚好相反,此带电粒子在P1和P3之间震荡.第13页/共18页第十四页，共18页。15例1：用探测电荷（q0）探测空间O点电磁场，在

10、O处电荷速度及受力探测如下：试求：（1）O点的 ；（2）O点的 . BE)(EBvqF解：带电粒子在电磁场中受力为：第14页/共18页第十五页，共18页。160FF因而(yn r):E（1） 0V在（a）中 （2）在（b）中， qEF 0轴沿以及xFq0, 0qFxE/,大小为轴沿)(0EBVqFy0,0BVqEFy轴yBBVy/第15页/共18页第十六页，共18页。17在（c）中， 0)(EBvqz即 zzVBBVE轴以及轴沿yBxE/,轴正向沿yBB的大小： zzBVBVE090sin第16页/共18页第十七页，共18页。18例2:已知地面上空(shngkng)某处地磁感应强度B=0.410-4T,方向向北.若宇宙射线中有一速率v=5.0107m/s的质子,垂直地面通过该处.求 1)洛伦兹力的方向; 2)洛伦兹力的大小,并与该质子受到的万有引力相比较.解 (