大学物理（下）：4洛伦慈力

1、1,11-6,运动电荷在磁场中受力 -洛伦兹力,2,一、运动电荷在磁场中受力-洛伦兹力,由实验知电量为 q 电荷在磁场中受到的洛仑兹力：,在SI制中：写成矢量形式,磁感应强度的定义为：,3,1、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。,=1800结果类似。,4,2、带电粒子垂直进入磁场,由于带电粒子所受洛伦兹力总是与运动速度方向垂直，所以洛伦兹力不对电荷做功。 电荷的运动轨迹为一圆周，洛伦兹力作为向心力。,5,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。,6,3、带电粒子以任意角度进入磁场,播放动画

2、,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。,7,螺距h：,相邻螺线间的距离,在电视机中，通过控制电子在磁场中的运动来显示运动图像。,8,当带电粒子同时受到电场和磁场力的作用时，F 可以表示为：,通过电场与磁场来控制电荷的运动在生产和科研中有很多运用。,二、带电粒子在电场和磁场中的运动：,一、质谱仪,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，无法用化学的方法将它们分离开。,9,2.质谱仪的工作原理,以速度 v 射入一带电量为 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

3、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,1、速度选择器：选择使具有特定速度v的带电粒子通过。,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。,10,当粒子速度满足电场力等于磁力时,B,粒子才可能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。,11,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,粒子的荷质比为,根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。,12,加速器,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

4、速器,13,二、回旋加速器,用于产生高能粒子的装置，其结构为金属双 D 形屏蔽盒，在屏蔽盒上加有磁场和交变的电场。当带电粒子从双 D形盒的中心缝隙处释放后，在电场的作用下，粒子不断地被加速。,播放动画,14,能量不断增大，成为高能粒子后引出轰击靶。,B,15,出射粒子的速度由,有,动能为：,16,目前世界上最大的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。,17,播放教学片CD9 回旋加速器,国际粒子探测中心的

5、粒子探测器,18,三、霍尔效应,1.原理: 如果导电粒子带正电荷，由于正电荷在磁场中受洛伦兹力向上。正电荷向上运动，,载流导体的宽为 b，厚为 d。通有电流 I 。导体放在磁感应强度为B的磁场中。 B垂直于导体的表面。,I,1879年霍尔设计了一个实验，用于检测在导体中导电的带电粒子是正电荷还是负电荷。,19,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 UH。带电粒子还受到向下的电场力。,I,UH,20,I,v,B,b,d,Fm,UH,E,由于,由,有,当电场力与洛伦兹力平衡时， 霍尔电压UH 稳定

6、。,21,其中：,定义：,为霍尔系数。,I,v,B,b,d,Fm,UH,E,22,2.讨论,1.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。 2.而半导体界于导体与绝缘体之间，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、电子导电的材料RH、 UH为负，正电荷（空穴）导电的材料RH、 UH为正。,23,3.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型半导体的主要载流子为负电荷；,24,P 型半导体,n 型半导体,由 UH 的正负就可知道半导体

7、的类型。,25, 测量磁场,由,可知,利用此原理制成高斯计测量外界磁场。探头用霍尔元件制成，通过测量 VH，折算成 B 。,探头,高斯计,26, 测量大电流-几万安培,由,用霍尔元件测量大电流周围的磁场，可推算出动力线中流过的电流 I。,可知 B，再由无限电流 I 与 B 之间的关系可知 I 。,27, 磁流体发电,把燃料（油、煤气和原子能反应堆）加热而产生的高温（约3000K）气体，以高速 v（约1000 m/s）通过用耐高温材料制成的导电管，气体在高温情况下，原子中的一部分电子克服了原子核引力的束缚而变成自由电子，同时原子则因失去了电子而变成带正电的离子，,28,再在这种高温气流中加入少量容易电离的物质（如钾和铯），更能促进气体的电离，从而提高气体的导电率，使气体差不多达到等离子状态，如在垂直于气体运动的方向加上磁场，则气流中的正、负