电偏转和磁偏转的原理及应用

1、磁偏转和电偏转的原理及应用步入高二，我们学习了电和磁的相关知识，在这些知识中，包括了电偏转和磁偏转，而这两大块内容又包括了很多应用，为了对电偏转和磁偏转有更深入的了解，我课题组对这两大部分进行了详细的研究，结果如下：一、 电偏转相关理论受力特征：质量为m，电荷量为q的粒子以速度v0垂直射入电场强度为E的匀强电场中，所受电场力，与粒子的速度无关，是恒力。运动规律：受力是恒定的，会使粒子做匀变速曲线运动类平抛运动，其运动规律分别从垂直于电场方向和平行于电场方向给出。偏转情况：粒子的运动方向所能偏转的角度，且在相等的时间内偏转的角度是不相等的。动能变化：由于电场力与粒子运动方向之间的夹角越来越小，粒

2、子的动能将不断增大，且随时间的变化越来越快。应用：示波管定义：示波管是电子示波器的心脏。示波管的主要部件有：电子枪，偏转板，加速级，荧光屏，刻度格子。 工作原理:电子枪产生了一个聚集很细的电子束，并把它加速到很高的速度。这个电子束以足够的能量撞击荧光屏上的一个小点，并使该点发光。电子束离开电子枪，就在两副静电偏转板间通过。偏转板上的电压使电子束偏转，一副偏转板的电压使电子束上下运动；另一副偏转板的电压使电子左右运动。而这些运动都是彼此无关的。因此，在水平输入端和垂直输入端加上适当的电压，就可以把电子束定位到荧光屏的任何地方。示波管的电源为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏

3、转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位(30V100V)，而且可调，以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V+600V)，也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。 相关计算式设加速电场电压为U，偏转电场电压为U2,偏转电场两板间的距离为d，偏转电场电场强度为E，电子质量为m，偏转电场长度为l，电子所带电荷量为e，则eU1=12mv02 ,解之得v0=2eU1m竖直方向加速度：a=eEm=

4、eU2md电场中竖直方向位移y2=at122=U2l24U1d二、磁偏转相关理论受力特征：质量为m，电荷量为q的粒子以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，所受磁场力（即洛伦兹力）使粒子的速度方向发生变化，而速度方向的变化反过来又使洛伦兹力的方向变化， 洛伦兹力是变力。运动规律：运动方向是变化的，使粒子做匀速圆周运动，其运动规律分别从时（周期）、空（半径）两个方面给出。偏转情况：粒子的运动方向所能偏转的角度不受限制，且在相等时间内偏转的角度总是相等。动能变化：由于始终与粒子的运动方向垂直，所以粒子动能的大小保持不变。应用速度选择器概念：如图所示平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直

5、。具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器,这是质谱仪的重要组成部分。粒子受力特点：同时受方向相反的电场力和磁场力作用。粒子匀速通过速度选择器的条件：v垂直射入电场和磁场的正交组合场，电场力和洛伦兹力平衡：qE=qvB，v=EB速度大小只有满足v=E B 的粒子才能沿直线匀速通过。用途：质谱仪的重要组成，剔除速度不同的粒子，提高检测精度；根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。磁流体发电概念：磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，右

6、图是它的示意图，平行金属板A、B之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）喷入磁场，AB两板间便产生电压。如果把AB和用电器连接，AB就是一个直流电源的两个电极。其中正离子向A偏转，负离子向B偏转。当qE<qvB时，积累电荷，当qE=qvB时，AB两板间形成恒定电压相关计算式：设AB间的距离为d，磁感应强度为B，AB间电动势为E，等离子体速度为v，带电量为q，qEd=qvB E=Bdv电磁流量计概念：在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场区域，当管中的导电液体流过此磁场区域时，测出管壁上的ab两点间的电动势U，就可以知道管中液体的流量Q-单位时间内

7、流过液体的体积（m3/s）。公式推导：已知管的直径为d，磁感应强度为B,电场强度为E，横截面面积为S，ab两点之间电动势为U，直径为d ，流量为QqvB=qE=qUd 得v=UBd 流量Q=Sv=dU4B用途：它是基于法拉第电磁感应定律工作的，用来测量电导率大于5s/cm的导电液体的流量，是一种测量导电介质流量的仪表。除了可以测量一般导电液体的流量外，还可以用于测量强酸、强碱等强腐蚀性液体和均匀含有液固两相悬浮的液体，如泥浆、矿浆、纸浆等。特点：电磁流量计密封性能好，还可用于自来水和地下水道系统。而且测量过程不与流体接触，适于制药、生物化学和食品工业。这种流量计还可检测血液流量。它的量程比约为

8、100:1，精度一般为1%，由于这种传感器必须保持管道内电阻和测量电路阻抗之间有一定比例关系，因此在制造上有一定困难。质谱仪概念：质谱仪又称质谱计，分离和检测不同同位素的仪器。即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。原理：质谱仪能用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子，这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的位置不同，其结果为质谱图。结构：一般由进样系统、离子源、质量分析器、检测器和记录系统等组成，还包括真空系统和自动控制数据处理等辅助设备。作用对象：质谱仪的

9、作用，就是把同一种元素的各种同位素都区分开来，同位素按质量大小排列，形成一个"谱"。应用：由于质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，因此质谱技术广泛的应用于化学，化工，环境，能源，医药，运动医学，刑侦科学，生命科学，材料科学等各个领域。相关计算式：设加速电场电压为U，初速度为v0，速度选择器磁感应强度为B1，场强为E，偏转电场磁感应强度为B2，粒子进入偏转电场运动的轨迹的直径为dqU=12mv2-12mv02 v=EB1 qvB2=mv2d2 m=qB2d2v=qB1B2d2E 回旋加速器主要结构：它的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆

10、形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时间为m/qB，其中q是粒子电荷，m是粒子的质量，B是磁场的磁感应强度。如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上电压方向转变，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ）。回旋

11、加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。进一步的改进有同步回旋加速器。相关计算式：设加速电压为U，粒子的带电量为q，加速次数为n，粒子速度为vn，半径为r，最大半径为R，最大动能为Emax最大速度为vmax，频率为f，加速总时间为tnqU=12mvn2 qvnB=mvn2r vn=2nqUm T=2mqB f=qB2m qB=2mf r=mvnqB=1B2nUmq n=qB2R22Um vmax=qBRm R=mvmaxqB Emax=12mvmax2=q2B2R2m=22mR2f2t=nT2=qB2R22UmmqB=BR22U显像管概念：显像管是一种电子（阴极）射线管，是电视接收机监视器重现图像的关键器显像管剖视图件。它的主要作用是将发送端（电视台）摄像机摄取转换的电信号（图像信号）在接收端以亮度变化的形式重现在荧光屏上。为了高质量地重现图像，要求显像管屏幕尺寸要大，图像清晰度要高，荧光屏有足够的发光亮度。此外对不同用途的显像管有各种