[理学]8-5 带电粒子在电场和磁场这运动的应用简洁版 modified.ppt

8-5 带电粒子在电 场和磁场中运动 8-5 带电粒子在电场和磁场中的运动 当带电粒子沿磁场方向运动时: 当带电粒子的运动方向与磁场 方向垂直时: 1、洛伦兹力 一般情况下，如果带电粒子运动的 方向与磁场方向成夹角 时。 大小： 方向： 的方向 考虑：当q 0时, 方向？ 洛伦兹力： 2.1 均匀磁场 ， （1）如果 与 相平行， 粒子作匀速直线运动。 （2）如果 与 垂直， 粒子作匀速圆周运动。 带电粒子在磁场中的运动 2、带电粒子在磁场中的运动 电量q、质量m的粒子，以初速 v0 进入磁场。 轨道半径： 圆周运动周期： 牛二定律： 粒子作匀速圆周运动。 （3）如果 与 斜交成角 粒子作螺旋运动。 2.2 带电粒子在非均匀磁场中运动 带电粒子在非均匀磁场中运动 （1）会聚磁场中作螺旋运动带电粒子掉 向返转 q 以正电荷为例， （2）磁约束装置 带电粒子 磁镜 磁镜 带电粒子会像光在两面镜子间来回反射那样， 被限制在两磁镜之间的范围内。 磁场由弱到强的配置称为磁镜。 （3）范艾仑(J.A.Van Allen)辐射带 宇宙空间的非均匀磁场： 等离子体磁约束 n等离子体：部分或完全电离的气体。 n特点：由大量自由电子和正离子及中性原子、 分子组成，宏观上近似中性，即所含正负电荷 数处处相等。 n带电粒子在磁场中沿螺旋线运动 与B成 反比 n强磁场中，每个带电粒子的活动被约束在一根磁力 线上，此时，带电粒子回旋中心（引导中心）只能沿 磁感应线作纵向运动，不能横越。磁约束 n例：受控热核反应托克马克、磁镜 北京大学物理学院王稼军编 托卡马克装置原理示意图 （4）托卡马克装置等离子体磁约束 托卡马克装置内部实景 带电量 q 的粒子，在静电场 中受到的作用力： 带电量 q 的粒子，在静电场 和磁场 中以速 度 运动时，受到的作用力： 带电量 q 的粒子，在磁场 中以速度 运动时， 受到的作用力： 洛伦兹力 3、带电粒子在 电磁场 中的运动 回旋加速器（1939年） 电子显微镜（1986年） 量子霍尔效应（1985年） 分数量子霍尔效应（1998年） n四个诺贝尔物理奖： 带电量 q 的粒子，在静电场 和磁场 中以速 度 运动时，受到的作用力： 3.1、磁聚焦电子显微镜 螺距： （匀速运动） （圆周运动） 螺旋线 带电粒子每回旋一周所前进的距离d与v无关。 带电粒子 磁聚焦 电子显微镜中的磁聚焦 一种用来获得高能带电粒子的设备。 2. 使带电粒子在缝隙电 场的作用下得到加速。 1. 使带电粒子在磁场作 用下作回旋运动。 3.2、回旋加速器（cyclotron） 基本性能： E.O. 劳伦斯 (1901-1957) 设计的 世界上第一台回旋加速器 欧洲同步辐射加速器（ESRF） 世界上的同步回旋加速器 Spring-8（日本） APS（美国） Diamond回旋加速器 ( 3GeV) 3.3、质谱仪 分析同位素的重要仪器，（利用电场和 磁场的各种组合来实现）。 狭缝 偏转板 照相底片 离子源 . . . . + B R 匀强磁场 粒子径迹 速度选择器 v=E/B 倍恩勃立奇(Bainbridge)质谱仪 在一个通有电流的导体板上，垂直 于板面施加一磁场，则平行磁场的两面 出现一个电势差。 霍耳 (1855-1938) 霍耳电势差 3.4. 霍耳（E. C. Hall)效应 （经典）霍耳效应（ 1879） I B d b v + q f + - - - - - - - - - - - UH EH 当洛仑兹力和电场力平衡时，不再发生漂移运动。 霍尔电压（电势差）： 霍耳效应解释与分析 霍尔电场： 霍尔器件：检测载流子、测弱磁场等。 【思考】载流子换成电子，UH的方向？ I B v -e + - - - - - - - - - - - f 与正载流子情况相比，UH反向！ 作业: 习题. 8-27，30 Chap. 11-30【无，需找 替代习题】 Need modification U 阴 极 控制极阳极 B l 例11-3 宇宙射线中的一个质子以速率 v = 1.0107m/s竖直 进入地球磁场内。估算作用在这个质子上的磁力有多大？ 当讨论微观带电粒子在磁场中的运动时，一般 可以忽略重力的影响。 解: 在赤道附近的地磁场沿水平方向，靠近地面 处的磁感应强度约为B= 0.310-4T ， 例题11-3 根据洛仑兹力公式： 地球磁场的空间分布 在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直，外层空 间入