第14章-磁力(magnetic-force)课件教学

§14.1带电粒子在磁场中的运动二、带电粒子在磁场中的运动原理:§14.2霍耳效应本章内容三、带电粒子在磁场中运动原理的应用:一、磁场力§14.3载流导线在磁场中受的力一、霍耳效应原理3.范艾仑辐射带2.等离子体约束装置—磁瓶1.磁聚焦：二、霍耳效应原理的应用——磁流体发电机第14章磁力(magneticforce)1鞍山科技大学姜丽娜一、磁场力方向垂直于点电荷q的速度v与磁感应强度B组成的平面，并成右手螺旋法则，其数学矢量式为：→→§14.1带电粒子在磁场中的运动2.磁场力对运动的带电粒子是否作功?v→B→α带电粒子在磁场中运动时,所受的磁力称磁场力。这是荷兰物理学家洛伦兹最早提出的，故磁场力也称洛伦兹力，其大小为问题：1.磁场力是否改变运动电荷的动量和动能？2鞍山科技大学姜丽娜注意:磁场力的方向垂直于粒子的运动速度,这一事实说明磁力只能使带电粒子的运动方向偏转,而不会改变其速度的大小,因此磁场力对运动电荷所作的功恒等于零,这是磁场力的一个重要特征。3鞍山科技大学姜丽娜地磁场示意图例1

宇宙射线中的一个质子以速率v=1.0×107m/s

垂直进入地球磁场内,估算作用在这个质子上的磁力有多大?(B=0.3×10-4T)解:质子受的磁力即磁场力大小为对比：质子所受的重力:可见,磁力约是重力的109倍,因此在讨论微观粒子在磁场中的运动时,可以忽略其重力的影响.v+q4鞍山科技大学姜丽娜二、带电粒子在磁场中的运动:1.带电粒子在均匀磁场中的运动:答:粒子将做匀速直线运动。答:粒子将作半径为R的圆周运动。FmRo+v........................B→q+v称带电粒子的荷质比也称比荷。旋转半径R，由牛顿第二定律B⑵当粒子以初速度v沿垂直于磁场方向进入磁场时,粒子将作什么样的运动?⑴当粒子以初速度v

沿平行于磁场方向进入磁场时,粒子将作什么样的运动?5鞍山科技大学姜丽娜注意:在匀强磁场中,R与荷质比成反比;与垂直于磁场方向的速率成正比.粒子绕圆形轨道运动的周期与速度无关。周期T—粒子绕圆形轨道一周所用时间例2

如图(a)所示,一对正、负电子同时垂直射入一均匀磁场中，已知它们的速率分别为2v和v。+2v-v图(a)1.指出它们的偏转方向；(答:同时回到出发点。注意:周期与速度无关。)2.比较二者的旋转半径;3.经磁场偏转后，哪个电子先回到出发点？问题6鞍山科技大学姜丽娜B带电粒子源abcde图(b)B例3

如图(b)所示,a、b、c、d是同时从粒子源垂直射入均匀磁场中的带电粒子轨迹.1.分别指出代表正、负电荷的运动轨迹；2.a、b、c三条表示同种粒子的轨迹中，哪条代表粒子的速度最大？(答:1.d、e代表正电荷；a、b、c代表负电荷。2.c代表粒子的速度最大。注意:半径与速度大小成正比。)⑶当粒子斜进入磁场中时,粒子将作什么样的运动？答：做螺旋线运动。vv⊥v∥问题:7鞍山科技大学姜丽娜螺旋线的半径螺距注意:螺距仅与平行于磁场方向的初速度有关;而与垂直于磁场方向的初速度无关。qBhvv∥v⊥θ8鞍山科技大学姜丽娜

磁聚焦：在均匀磁场中某点A处,引入一发散角不太大的带电粒子束,粒子束速度相近;则这些粒子沿磁场方向的分速度大小几乎相同,因此其轨迹有几乎相同的螺距。Bv∥=vcosθ≈vv⊥=vsinθ≈vθθ≈0带电粒子在磁场中运动原理的应用:磁聚焦原理被广泛地应用于真空电子器件中，如电子显微镜中。vv∥v⊥θ→→→AA’9鞍山科技大学姜丽娜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运动时,半径和螺距都将随磁场增大而减小，将作变半径的螺旋线运动；

问题：当带电粒子在非均匀磁场中运动时，运动半径将如何随B变化？它将作什么样的运动？10鞍山科技大学姜丽娜F2F1BvFBv线圈(磁镜)当粒子向磁场增强的方向运动时，粒子所受的磁场力,恒有一指向磁场较弱方向的分力,这个分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动。这样有可能使粒子沿磁场增强方向的速度逐渐减小到零,从而迫使粒子掉向反转运动。11鞍山科技大学姜丽娜

如图(a)在一个长直圆柱形真空室中，由两个载流方向相同、相互平行的圆线圈，形成一个两端很强中间较弱的磁场,则两端较强的磁场对带电粒子起着阻塞的作用,它能迫使带电粒子局限在一定的范围内往返运动,这种装置称磁瓶。磁瓶在约束等离子体方面有重要意义。图(a)磁瓶()磁镜磁镜12鞍山科技大学姜丽娜在研究受控热核反应实验中，常常需要把等离子体约束在一定空间区域，而由于等离子体温度很高（2500K以上），一般固体材料在这样的高温下都将被汽化，因此，可以利用上述带电粒子在非均匀磁场运动的特点，将等离子体约束在一定的空间。等离子体——物质的第四态等离子是由大量的自由带电粒子以及部分中性粒子所组成的体系。宏观上一般呈电中性，导电率较高，其运动形式主要受电磁力支配。例如，在地球以外，围绕地球的电离层、太阳及其它恒星等是天然的等离子体，而日光灯管中发光的电离气体和实验室中高温电离气体都是人造等离子体。2.等离子体约束装置—磁瓶13鞍山科技大学姜丽娜装置中国环流一号14鞍山科技大学姜丽娜地球的磁场磁约束现象还存在于宇宙空间。地球是一个天然的磁捕集器,它能捕获宇宙射线中的带电粒子,形成一个带电粒子区域,称范艾仑辐射带。15鞍山科技大学姜丽娜3.范艾仑(J.A.VanAllen)辐射带当来自外层空间的大量粒子(宇宙射线)进入地球磁场范围,粒子将绕地磁感应线作螺旋运动,因为在近两极处地磁场增强,作螺旋运动的粒子将被折回,结果粒子在沿磁感应线的区域内来回振荡,形成一个带电粒子区域,称范艾仑辐射带,此带相对地球作对称分布,图中仅绘出一支。16鞍山科技大学姜丽娜1958年人造卫星的探测发现,,范艾仑辐射带有两层,内层在距地面800-4000Km处,外层在60000Km处。17鞍山科技大学姜丽娜在靠近两极的一些国家和地区,如美国的阿拉斯加,亚洲的西伯利亚,欧洲的挪威、瑞典和芬兰等国家，夜晚的天空会出现五颜六色绚丽多彩的发光现象，有的呈弧形，有的呈弥漫状的斑块，有的呈大而均匀的发光面等它们被统称做极光，发生在北极的称北极光，发生在南极的称南极光。18鞍山科技大学姜丽娜北极光北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，在地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使大气激发，然后辐射发光，从而出现美丽的北极光。19鞍山科技大学姜丽娜bhIB

1879年霍耳首先发现,把一块载流导体沿垂直于磁场方向放置时如图所示,则在既垂直于磁场方向又垂直于电流流向的方向上出现微弱的电势差，这一现象称霍耳效应。这一电势差称霍耳电势差或霍耳电压。为讨论问题方便起见，我们假设电流是由正电荷的运动形成的。§14.2霍耳效应12UH20鞍山科技大学姜丽娜qvFmbhIB12UH(1)实验原理:霍耳电场EH21鞍山科技大学姜丽娜(2)霍耳电压电荷受磁场力电荷受电场力当电荷受合力为零时FmqvFebhIBUH=EHh12EH22鞍山科技大学姜丽娜qvbhIv载流体中单位体积内的带电粒子数——n——单位时间流过横截面的电量。23鞍山科技大学姜丽娜注意

:1.霍耳效应可用来测定固体的导电类型;对于半导体材料:如果RH为正,则载流子为带正电的空穴,该半导体称为P型半导体;如果RH为负;则载流子为带负电的电子,该半导体称为N型半导体;2.在金属导体中,由于自由电子的粒子数密度很大,所以霍耳电势差很小,而半导体中的带电粒子数密度很小,所以霍耳电势差很大。3.1980年德国科学家克里青发现,在极低温和强磁场下,宏观霍耳电压和电阻呈现量子化变化,这种宏观量子效应称量子霍耳效应。4.利用霍耳效应能够测量磁感应强度(磁强计)、电流(安培计),可以用来测量压力、转速等。5.除固体中能产生霍耳效应外,导电流体中也会产生霍耳效应。如磁流体发电机。霍耳电阻——24鞍山科技大学姜丽娜问题：

一半导体样品通过的电流流向及所在处磁场方向如图所示，实验测得φb>φa，此半导体是N型还是P型？

IBUba25鞍山科技大学姜丽娜§14.3载流导线在磁场中受的力一、运动电荷受磁力：二、电流元：三、电流元受磁力：dl→B→Idl→B→IS→v26鞍山科技大学姜丽娜四、载流导线受磁力：例1，如图求载流导线在均匀磁场中所受的力。已知电流强度为I，磁感应强度为B。BlbaθdlI27鞍山科技大学姜丽娜

例1如图求载流圆环在非均匀磁场中所受的力。已知