带电粒子在电场和磁场这运动的应用.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 VanAllen 辐射带 宇宙空间的非均匀磁场 2005 3 北京大学物理学院王稼军编 等离子体磁约束 等离子体 部分或完全电离的气体 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 带电粒子在磁场中沿螺旋线运动 与B成反比 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 磁约束例 受控热核反应 托克马克 磁镜 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 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 带电粒子每回旋一周所前进的距离d与v 无关 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 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 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 UH 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 e 与正载流子情况相比 UH反向 作业 习题 8 27 30Chap 11 30 无 需找替代习题 Needmodification 例11 3宇宙射线中的一个质子以速率v 1 0 107m 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 3