海南大学《大学物理》第6章 磁力

第6章磁力带电粒子在磁场中的运动带电粒子速度与磁场垂直大小方向大小方向始终与电荷的运动方向垂直回旋半径R回旋周期偏转偏转CONTENTS01++05+v03运动带电粒子在磁场中的偏转B02+单击添加文本具体内容06+单击添加文本具体内容04+单击添加文本具体内容B质谱仪原理++++++++++++++++++++++++离子源v+++++质谱仪原理B=qRmv半径Bvq若为常量Rm8++质谱仪劳伦斯（1901～1958）美国物理学家1932年建成世界第一台回旋加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置。由于在回旋加速器及其应用技术方面的成就，劳伦斯获得1939年度诺贝尔物理奖。01022.使带电粒子在电场的作用下得到加速。使带电粒子在磁场的作用下作回旋运动。回旋加速器是用来获得高能带电粒子的设备。基本性能：回旋加速器回旋加速器加速器粒子的动能轨道半径粒子引出速度同步辐射光源简介同步辐射光源－宽频带上海光源主体建筑BL01B1加速器束流诊断线站BL04U1复旦大学线站BL05U1物理所线站BL17U1生物大分子晶体学线站BL18ID蛋白质科学设施BL18B1蛋白质科学设施BL19ID蛋白质科学设施BL15U1硬X射线微聚焦线站BL16B1X射线小角散射线站BL20上海激光电子伽玛射线源装置（SLEGS）BL08U1-A软X显微谱学线站BL14W1XAFSBL14B1X射线衍射线站BL08U1-BX射线干涉光刻线站(分支线，应用物理所)BL10W1X射线成像线站BL03W1张江园区线站20个周期。可用于安装插入件的长直线节2个，标准直线节16个；弯铁光源引出口36个；红外光束线引出口4个；总共可容纳约60个光束线站。光束线站布局上海光源平台生命科学生物医药材料科学地球/环境科学新材料环保技术石油化工微纳电子信息技术钢铁冶金微纳加工地质勘探新能源物理学化学上海光源应用领域回旋加速器例一架回旋加速器的振荡频率为12MHz，D形电极的半径为54cm。求加速氘核（质量为3.3×10-27kg,带电荷量为1.6×10-19C）需要多大的磁感应强度，氘核的最大动能和最大速度各为多少?氘核的最大速度为这个速度和光速相比是比较小的。如果将电子加速到和氘核具有相同的能量，由于电子的质量远小于氘核，其速度就远大于氘核，这时必须考虑相对效应的限制。因而回旋加速器一般适用于加速质量较大的粒子，不宜用于加速电子。加速电子可利用电子感应加速器。氘核的最大动能为沿磁场方向

粒子作匀速运动单击此处添加大标题内容带电粒子速度与磁场不垂直沿磁场方向

粒子作匀速运动垂直磁场方向

粒子作匀速圆周运动（回旋运动）垂直磁场方向

粒子作匀速圆周运动（回旋运动）粒子总的运动是一个轴线沿磁场方向的螺旋运动hvv续2401+带电粒子在磁场中的螺旋运动02qv03vqBBvv螺旋线半径回旋周期螺旋轨迹的螺距hDCAB磁聚焦01会聚到一点的现象与透镜将光束聚焦现象十分相似，因此叫磁聚焦。02带电粒子在磁场中运动举例03一束发散角不大的带电粒子束，当它们在磁场B的方向上具有大致相同的速度分量时，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04带电粒子在磁场中的运动01在非均匀磁场中,磁场较强的地方，回旋半径和螺距都较小。带电粒子所受洛伦兹力恒有一指向磁场较弱方向的分量阻碍其继续前进，就象遇02反射镜一样。这种强度逐渐增强的磁场称为磁镜。03磁镜（或磁塞）04”两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的磁场。带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁场内来回运动而不能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称为磁瓶。磁约束两个电流方向相同的线圈产生中间弱两端强的磁场。带电粒子被束缚在两个磁镜间的磁场内来回运动而不能逃脱。这种束缚带电粒子的磁场称为磁瓶。磁约束磁约束B01F02I03I04v05B06B07F08F09+10磁约束(磁镜效应)11F12托卡马克装置工作的基本原理a:等离子体b:平衡场线圈c:真空室d:纵场线圈e:铁芯变压器中国“人造太阳”中科院等离子物理所建成的全超导的托克马克试验装置调试成功，中国“人造太阳”引发世界冲击波.范艾仑辐射带和北极光地球的磁场与一个棒状磁体的磁场相似，地磁轴与自转轴的交角为11.50，地磁两极在地面上的位置是经常变化的。太阳大气和行星际空间电离层和中高层大气从赤道到地磁的两极磁场逐渐增强，因此地磁场是一个天然的磁约束捕集器，它使来自宇宙射线和“太阳风”的带电粒子围绕地磁场的磁感应线做螺旋运动，而在靠近地磁南、北两极处被反射回来。这样，带电粒子就在地磁南、北两极之间来回振荡，直到由于粒子间的碰撞而被逐出为止。被地磁场捕获的罩在地球上空的质子层和电子层，形成范·阿仑(VanAllen）辐射带。范·阿仑辐射带有两层01外层在60000km处800km-4000km内层地面上空外层在60000km处02单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。800km-4000km03单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。内层地面上空04单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。地球辐射带PART1在地磁场的南、北两极附近由于磁感应线与地面垂直，由外层空间入射的带电粒子可直接射入01高空大气层内。高速带电粒子与大气分子相互碰撞产生的电磁辐射就形成了绚丽多彩的极光。02极光（Aurora)霍尔效应01实验现象02把一载流导体薄板放在磁场中时，如果磁场方向垂直于薄板平面，则在薄板的上、下两侧03面之间会出现微弱电势差，这一现象称为霍耳效应，其电势差称为霍耳电压。042.经典理论解释电子受力平衡时hbn应用判断半导体的载流子种类（电子、空穴？）。磁流体发电。磁强计（高斯计）：测量磁场的大小和方向。量子霍尔效应添加标题按经典霍尔效应理论添加标题应随B连续变化添加标题霍尔电阻添加标题1980年，克利青在1.5K极低温度和18.9T强磁场下添加标题测量金属——氧化物——半导体场效应晶体管时，发现其霍尔电阻随磁场的变化出现了一系列量子化平台,即添加标题h为普朗克常数，e为电子电量，N=1,2⋯整数添加标题1982年，崔琦和施特默等人在更低的温度和更强的磁场1K、20T条件下发现：添加标题称为整数量子霍尔效应(IQHE)。添加标题称为分数量子霍尔效应(FQHE)添加标题一年后，劳克林对分数量子霍尔效应给出了很好的解释添加标题1985年,KlausvonKlitzing获诺贝尔物理奖.崔琦,HorstStomer和RobertLaughlin获1998年诺贝尔物理奖如图．均匀电场沿x轴正方向，均匀磁场沿z轴正方向，今有一电子在yOz平面沿着与y轴正方向成135°角的方向以恒定速度运动，则电场与磁场在数值上应满足的关系式是_安培力实验发现，外磁场对载流导线有力的作用，这个力称为安培力。载流导线在磁场中所受的力实验发现，外磁场对载流导线有力的作用，这个力称为安培力。logo载流导线在磁场中所受的力载流导线在磁场中所受到的磁力（安培力）的本质是：在洛伦兹力的作用下，导体作定向运动的电子和导体中晶格上的正离子不断地碰撞，把动量传给了导体，从而使整个载流导体在磁场中受到磁力的作用。安培力公式任意电流元受力为整个受力任意电流元受力为整个受力五、载流导线在磁场中所受的力例1在均匀磁场中放置一半径为R

的半圆形导线，电流强度为I，导线两端连线与磁感强度方向夹角=30°，求此段圆弧电流受的磁力。=30°解01方向03在电流上任取电流元02=30°04练习：有一半径为a，流过稳恒电流为I的1/4圆弧形载流导线bc，按图示方式置于均匀外磁场中，则该载流导线所受的安培力大小为3.载流线圈在磁场中所受的力矩在均匀磁场中，有一刚性矩形载流线圈abcd，它的边长分别为l1和l2，电流为I。线圈法线方向与电流的流向符合右手螺旋关系，与磁场的方向夹角为。abcdl2Il1abcdl2Il1对于导线ad段和bc段，作用力的大小相等、方向相反，并且在同一直线上，所以它们的合力及合力矩都为零。而导线ab段和cd段所受磁场作用力的大小为：a（b）Il1d（c）因此线圈在磁场中受到一个磁力矩的作用。这两个力的方向相反，但不在同一直线上。a（b）Il1d（c）磁力矩的矢量表示01单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。线圈在磁场中受到的磁力矩的大小为：02线圈在磁场中受到的磁力矩的大小为：其中a（b）Il1d（c）则磁矩单位Am2或Nm/T称为载流线圈的磁偶极矩，简称磁矩。上式对所有闭合电流均成立。磁矩是微观粒子本身的特性之一。定义单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。称为载流线圈的磁偶极矩，简称磁矩。单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。上式对所有闭合电流均成立。单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。您的内容已经简明扼要，字字珠玑，但信息却千丝万缕、错综复杂，需要用更多的文字来表述；但请您尽可能提炼思想的精髓，否则容易造成观者的阅读压力，适得其反。正如我们都希望改变世界，希望给别人带去光明，但更多时候我们只需要播下一颗种子，自然有微风吹拂，雨露滋养。恰如其分地表达观点，往往事半功倍。当您的内容到达这个限度时，或许已经不纯粹作用于演示，极大可能运用于阅读领域；无论是传播观点、知识分享还是汇报工作，内容的详尽固然重要，但请一定注意信息框架的清晰，这样才能使内容层次分明，页面简洁易读。如果您的内容确实非常重要又难以精简，也请使用分段处理，对内容进行简单的梳理和提炼，这样会使逻辑框架相对清晰。磁矩是微观粒子本身的特性之一。五、载流导线在磁场中所受的力几种特殊情况：当时，线圈平面与垂直，，此时线圈处于稳定平衡状态；当时，线圈平面与平行，此时abcdIabcdI当时，线圈平面与垂直，但载流线圈的方向与的方向相反，，此时线圈处于不稳定平衡状态。abcdI总之，磁场对载流线圈作用的磁力矩，总是使磁矩转到磁感强度的方向上。例求下图载流线圈所受的安培力及对Y轴