6磁场力应用举例.ppt

第六节 自学 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受力 不计重力 电场力 磁场力 洛仑兹力 运动电荷在电场和磁场中受的力 方向 即以右手四指由经小于的角弯向 拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向 1 带电粒子垂直进入磁场 由于带电粒子所受安培力总是与运动速度方向垂直 所以运动轨迹为一圆周 洛伦兹力充当向心力 二 带电粒子在磁场中所受的力 周期 周期与粒子运动速度无关 速度大的粒子轨道半径大 走的路程长 速度小的粒子轨道半径小走的路程短 但周期都是相同的 2 带电粒子平行进入磁场 由于 带电粒子不受力 作匀速直线运动 3 带电粒子以任意角度进入磁场 带电粒子以 角进入磁场 在垂直B的方向上作圆周运动 在平行于B的方向上作匀速直线运动 则 其轨迹为螺旋线 螺旋线的 半径 周期 螺距 三 应用 用于同位素分析的仪器 1 同位素 有相同的质子数和电子数 但中子数不同的元素 它们的化学性质相同 无法用化学的方向将它们分离开 1 质谱仪 2 质谱仪的工作原理 以速度v置入一带电量为q的粒子 粒子受到电场和磁场的共同作用 当粒子速度较小时 电场力大于洛伦兹力 粒子向左偏转被左极板吸收 速度选择器 B 当粒子速度较大时 电场力小于洛伦兹力 粒子向右偏转被右极板吸收 当粒子速度满足电场力等于洛伦兹力时 B 粒子竖直向下运动穿过狭缝进入下方磁场B 通过调整E和B可选择粒子速度 知 质量大的同位素粒子 轨道半径大 质量小的同位素粒子 轨道半径小 不同质量的粒子在胶片屏上留下不同的质谱线 质谱线 在B 中作圆周运动的轨道半径由 根据质谱线的位置 可推出同位素的质量 1989年建成的具有世界先进水平的北京正负电子对撞机直线加速器 2 回旋加速器 用于产生高能粒子的装置 其核心部分为金属双D形盒 两D形盒之间留有窄缝 中心附近放置离子源 两D形盒之间通以交变电流 在缝隙里形成交变电场 由于屏蔽 D形盒内部电场不计 D形盒封在真空容器中 整个装置放在大的磁场中 方向垂直于D形盒 设离子带正电 从离子源出发 在缝隙中被加速 作加速直线运动 以进入D形盒内部 由于金属具有静电屏蔽作用 带电粒子在磁场的作用下作圆周运动 为半圆 时间为 如果在此期间 电场恰好反向 进入缝隙后 粒子又被反向加速 以较大速率进入对面的D形盒 又作半圆 两个半圆 半径不同 但时间相同 只要交变电场以变化 就可保证离子每次经过缝隙时均会被加速 这样 不断被加速的离子逐渐趋于D形盒的边缘 达到预期的速率 再用特殊的装置将其引出 分析离子运动 B 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室 此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量 为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖 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 目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室 环形管道的半径为2公里 产生的高能粒子能量为5000亿电子伏特 世界第二大回旋加速器在欧洲加速中心 加速器分布在法国和瑞士两国的边界 加速器在瑞士 储能环在法国 产生的高能粒子能量为280亿电子伏特 3 电子的反粒子电子偶 显示正电子存在的云室照片及其摹描图 1930年狄拉克预言自然界存在正电子 4 磁聚焦 洛仑兹力不做功 洛仑兹力 与不垂直 螺距 应用电子光学 电子显微镜等 磁聚焦在均匀磁场中某点A发射一束初速相差不大的带电粒子 它们的与之间的夹角不尽相同 但都较小 这些粒子沿半径不同的螺旋线运动 因螺距近似相等 都相交于屏上同一点 此现象称之为磁聚焦 霍耳效应 5 霍尔效应 霍尔效应 1 原因 是由于运动电荷在磁场中受洛伦兹力的结果 载流导体的宽为b 厚为d 通有电流I I 载流导体放入磁场B中 在导体上下两表面产生霍尔电压的现象 载流导体中的运动电荷在洛伦兹力的作用下 向上偏转 在导体的上表面积累了正电荷 下表面感应出负电荷 在上下两面间形成电场E 出现霍尔电压VH 带电粒子还受到向下的电场力 其中 由 有 当电场力与洛伦兹力平衡时 VH稳定 其中 定义 为霍尔系数 2 讨论 a 由于导体内有大量的自由电荷 n较大 RH较小 故导体的霍尔效应较弱 b 而半导体界于导体与半导体之间 其内的自由电荷较少 n较小 RH较大 故半导体的霍尔效应显著 3 霍尔效应的应用 测量半导体的性质 半导体根据掺杂不同 有空穴型 p型 半导体 和电子型 n型 半导体 P型半导体的主要载流子为正电荷 n型半导