资源预览内容
第1页 / 共40页
第2页 / 共40页
第3页 / 共40页
第4页 / 共40页
第5页 / 共40页
第6页 / 共40页
第7页 / 共40页
第8页 / 共40页
第9页 / 共40页
第10页 / 共40页
亲,该文档总共40页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
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 电场力 磁场力 洛仑兹力的方向垂直 于运动电荷的速度和 磁感应强度所组成的 平面,且符合右手螺 旋定则。 带电粒子在电场和磁 场中所受的力 q B v Fm 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。 带电粒子在磁场中受力 2、速度方向与磁场方向垂直 洛仑兹力的大小 二、带电粒子在磁场中的运动 1、速度方向与磁场方向平行 带电粒子受到的洛仑兹力为零 ,粒子作直线运动。 磁力提供向心力 。 周期与速度无关 R 匀速率 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 h B 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。 *带电粒子在非均匀磁场中的运动 带电粒子进入轴对称会聚磁场,由 于磁场的不均匀,洛仑兹力的大小 要变化,所以不是匀速圆周运动。 且半径逐渐变小。 使沿磁场的运动被抑,而被迫 反转。象被“反射”回来一样 磁镜。 * 应用:磁约束 用于受控 热核反应中 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 三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例 1、电子比荷(e /m)的测定 引言:电子的电量和质量是 电子基本属性,对电子的电 量、质量和两者的比值(即比 荷)的测定有重要的意义。 1897年J.J. Thomson在卡文 迪许实验室测量电子比荷, 为此1906年获Nobel物理奖。 实验装置 原理 加速电子经过电场与磁场区域 发生偏转 y 结论 对于速度不太大的电子 带电粒子在磁场中的运动 2、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,特别是一些非放射性的同位 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 速度选择器 若每个离子所带电量相等,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,半径R为 + 锗的质谱 3、 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 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 理论增大电磁铁的截面,可以增大粒子的能量 实际比较困难 兰州重离子加速器 北京正负电子对撞机 合肥同步辐射加速器 我国最大的三个加速器 例题质谱仪测粒子的荷质比 DU 实验:加速电压U,均匀磁 场B,粒子垂直入射,进口 到胶片记录位置间距为D, 计算粒子的Q/m值。 解:粒子进质谱仪时动能 进磁场后做匀速率圆周运动 , R 4、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 实验规律 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 I + + + _ _ + + + + + - - - - - E B b d d b uH I + + + + I + + + I 假设载流子是负电荷,定向漂移速 度为vd与电流反向,磁场中的洛仑 兹力使载流子运动,形成霍耳电场 。 电场力与洛仑兹力平衡时电子的漂 移达到动态平衡,从而形成横向电 势差。 霍耳效应的经典解释 I - - - - - = d 霍耳系数 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 1980年,德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体 的霍耳效应时,发现UHB的曲线出现台阶,而不是线性关 系量子霍耳效应。为此克利青于1985年获得诺贝尔物理 学奖。 后来又发现了分数量子霍耳效应。分数量子霍耳效应与分数 电荷的存在与否有关。 优点:无机械损耗,可以提高效率, 缺点:尚存在技术问题有待解决。 I b d - - - - - - V 垂直于 的方向出现 电势差 霍耳效应 霍耳电压UH I B UH 正效应载流子是 空穴 P型半导体 UH 负效应载流子是电子 n型半导体 *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 + + + 高温 等离 子气 + + I 正电荷聚集在上板,负 电荷聚集在下板,因而 可向外供电。 磁场对电流的作用 一、安培力 I 电流元 一个电荷受力 N个电荷受力 均匀磁场 2、均匀磁场中的闭合线圈 F = 0 I 直导线 任意导线I 长度矢量说明:1 、 3、若处处 (不一定均匀) F = 0 2R 长度矢量解: 方向 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 ,求此段圆弧电流受的磁力。 例题 二、电流的单位 平行电流间的相互作用 1、平行载流直导线间的相互作用 I1I2 r B21B12 方向 方向 同流向,相吸引 ;逆流向,相排 斥。 方向 方向 两根平行长直线,相距1m,两导线上电流流向相同,大小相等,调节电流,使 得两导线每单位长度上的吸引力为210-7N m-1,我们规定这个电流为1A。 平行电流间的相互作用 磁场对载流线圈的作用 一、磁场作用于载流线圈的磁力矩 受力情况 B F4 F3 F1 F2 l1 l2 M N O P I 两者大小相等,方向相反,且在同一直线 上,故对于线圈来说,它们合力矩为零。 F1与F2形成一个力偶 l1 线圈所受有磁力矩 引入磁矩 讨论: q =p/2,线圈与磁场平行,磁通量F =0,力矩Mmax=ISB q =0, 垂直, F =BS,力矩M=0,平衡 q =p, 垂直, F =-BS,力矩M=0,平衡 例题2、证明转动带电园盘的磁矩 。 r dro 解:解: 二、磁电式电流计原理 作用:测量电流 原理:载流线圈在磁场中受 磁力矩的作用发生偏转。 结构: 永久磁铁的两极 圆柱体铁心 绕固定转轴转动的铝制框架 框架上绕有线圈 转轴的两端各有一个旋丝 一端上固定一针 磁力的功 磁力对运动载流导线作的功 ab边所受到的磁力 若 ab边在F 作用下移至ab,磁力作的功为 即 式中 为回路abcda所包围的面积磁通量的增量 M 当 I 不随 时间变化 正向磁通增加磁力做正功 I N I 反向磁通减少磁力做正功 根据电流方向,穿过回 路的磁通是反向的 磁力矩对转动载流线圈作的功
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号