7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动.ppt

1、大学物理学电子教案,长江大学教学课件,洛仑兹力,复 习,运动电荷的磁场,高斯定律,安培环路定理,电场力,磁场力（洛伦兹力）,运动电荷在电场和磁场中受的力,方向：与 及 有关,大小：,7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动,一、带电粒子在电场和磁场中所受的力,洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928),1895年，洛仑兹根据物质电结构的假说，创立了经典电子论。洛仑兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。 洛仑兹还预言了正常的塞曼效益，即磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场的影响而分裂成多条的现象

2、中的某种特殊现象。 洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要基础。洛仑兹对统计物理学也有贡献。,荷兰物理学家、数学家，因研究磁场对辐射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金。,例 1 一质子沿着与磁场垂直的方向运动, 在某点它的速率为 . 由实验测得这时质子所受的洛仑兹力为 .求该点的磁感强度的 大小.,解 由于 与垂直 ，可得,问 1）洛仑兹力作不作功？,2）负电荷所受的洛仑兹力方向？,洛伦兹力,结论：带电粒子作匀速直线运动。,二、带电粒子在磁场中的运动,1、速度方向与磁场方向平行或反平行,2、速度方向与磁场方向垂直,洛仑兹力的大小,方

3、向：垂直与速度和磁场的方向,回旋半径,回旋周期,回旋频率,结论：带电粒子作匀速圆周运动。,3、速度方向与磁场方向有夹角,把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量,平行于磁场的方向： F/=0 ， 匀速直线运动 垂直于磁场的方向： F=qvBsin， 匀速圆周运动 粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。,回旋半径,回旋周期,螺距粒子回转一周所前进的距离,螺距d与v无关，只与v/成正比，若各粒子的v/相同，则其螺距是相同的，每转 一周粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现磁聚焦。,电子显微镜下的微观世界,讨论与拓展,*磁镜,磁镜,磁约束,磁约束,F,*磁约束（托克马克）,用于受控 热核反应中,

4、等离子体,线圈,线圈,中国科学院合肥等离子体研究所的磁约束核聚变研究装置HT7超导托卡马克,地磁场，两极强，中间弱，能够捕获来自宇宙射线的的带电粒子，在两极之间来回振荡。 1958年，探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射线和太阳风的质子层和电子层Van Allen辐射带,*电子的反粒子 电子偶,正电子：1930年英国物理学家狄拉克从理论上预言了正电子的存在，1932年，美国物理学家安德森在分析宇宙射线穿过位于云雾室的铅块后的带电粒子的照片时，发现了正电子。,原理：在高能粒子物理中，常用带电粒子在云雾室中的轨迹来观察和区分粒子的性质。,电子偶：理论和实验都表明，正电子总是伴随着电子

5、一起出现的，犹如成对成双的配偶，故称之为电子正电子偶，简称电子偶或电子对。,摹描图,自然界中的反物质,磁谱仪正在太空中寻找反物质,丁肇中领导的课题组制造的磁谱仪,1、质谱仪,引言：是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与化学家阿斯顿于1919年创造，当年发现了氯与汞的同位素，以后几年又发现了许多同位素，为此，阿斯顿于1922年获诺贝尔化学奖。,原理图,速度选择器,从离子源出来的离子经过S1、S2加速进入电场和磁场空间，若粒子带正电荷+q，则电荷所受的力有： 洛仑兹力：qvB 电场力 ： qE,若粒子能进入下面的磁场 qvB=qE,三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例,若每个离子所带电量相

6、等，由谱线的位置可以确定同位素的质量。 由感光片上谱线的黑度，可以确定同位素的相对含量。,质谱分析： 带电粒子 经过速度选择器后，进入磁场B中做圆周运动,2、 回旋加速器,美国物理学家劳伦斯于1934年研制成功第一台加速器 此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，劳伦斯于1939年获诺贝尔物理学奖。,结构： 密封在真空中的两个金属盒（D1和D2）放在电磁铁两极间的强大磁场中，两盒间接有交流电源，它在缝隙里的交变电场用以加速带电粒子。,目的： 用来获得高能带电粒子轰击原子核或其它粒子，观察其中的反应，研究原子核或其它粒子的性质。,原理： 使带电粒子在电场与磁场作用下，往复加速达到高能。,交变

7、电场的周期恰好为回旋周期时粒子绕过半圈恰好电场反向，粒子又被加速。 因为回旋周期与半径无关，所以粒子可被反复加速，至用致偏电极将其引出。,回旋频率,当粒子到达半圆边缘时，粒子的速率为（ R0为最大半径）,粒子动能,理论建立巨型的强大电磁铁，可以增大粒子的能量 实际比较困难,我国于1994年建成的第一台强流质子加速器 ，可产生数十种中短寿命放射性同位素 .,北京正负电子对撞机的储存环 （直径17.5m）,美国费米国立加速器(直径2km)鸟瞰图,兰州重离子加速器 (直径25m）,例 2 有一回旋加 速器，他 的交变 电压的 频率为 ，半圆形电极的半径为0.532m . 问 加速氘核所需的磁感应强度

8、为多大？氘核所能达到的最大动能为多大？其最大速率有多大？（已知氘核的质量为 ，电荷为 ）.,解 由粒子的回旋频率公式，可得,3、霍耳效应,1879年霍耳发现载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳效应。相应的电势差称为霍耳电压。,现象,在磁场不太强时，霍耳电压与电流I和磁感应强度B成正比，而与导电板的厚度d 成反比,霍 耳 效 应,霍耳电压,霍耳效应的经典解释,霍耳效应的应用,2）测量磁场,霍耳电压,1）判断半导体的类型,霍耳效应的应用,半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度，且容易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。,判定载流子类型 测量载流子浓度 测量磁感应强度 测量电流 测量温度,*磁流体发电,气体在3000K高温下将发生电离，成为正、负离子，将高温等离子气体以1000m/s的速度进入均匀磁场B中,正电荷聚集在上板，负电荷聚集