带电粒子在电场和磁场中的运动

1、11.6带电粒子在电场和磁场中的运动,一、洛仑兹力,安培力的微观本质,安培力是运动电荷受到的磁场力的集体宏观表现。,金属中的自由电子受到磁场力作用不断地与晶格发生碰撞,把动量传递给导体,从宏观来看,这就是安培力。,洛仑兹力公式,安培定律,从微观看,电流为,所以,电流元中带电粒子数,因此,每个运动电荷所受磁力为,即洛仑兹力公式为,f v 和B所组成的平面,即 f恒v,故洛仑兹力对运动电荷不做功。,实验也证明，在磁感强度为 B 的磁场中，电荷为 q、运动速度为 v 的带电粒子，所受的磁场力为：,洛伦兹力的方向为：服从右手螺旋法则 洛伦兹力始终与运动方向垂直，故洛伦兹力对运动电荷永不做功！,洛伦兹力

2、的大小为：,洛伦兹力,正电荷,负电荷,说明：,二、带电粒子在电场和磁场中所受的力,电场力,磁场力（洛伦兹力）,运动电荷在电场和磁场中受力：,三、带电粒子在磁场中的运动,1. 带电粒子在均匀磁场中运动,a. 当 时，粒子将在磁场中作匀速圆周运动,回旋半径,回旋周期：,说明：回旋半径与带电粒子的速度成正比；但回旋周期与带电粒子的速度无关。,应用：测定带电粒子的荷质比荷。,讨论, 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。,云室,安德森1932年 发现正电子， 1936年获诺贝尔 物理学奖。,螺距,说明：带电粒子在螺旋线上每旋转一周，沿磁场 B

3、的方向前进一个螺距。,应用：显像管、电子显微镜和真空器件等。, 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，相交于屏上同一点，此现象称之为磁聚焦。,讨论,2.带电粒子在非均匀磁场中运动时，会受到一个恒指向与磁场方向相反的洛伦兹分力的作用。,当电子在非均匀磁场中运动时,a. 一个分力 是使电子作圆周运动的向心力；,结论：强度逐渐增加的磁场能使粒子发生反射，这种磁场分布被称为“磁镜”。, 磁约束,利用两个亥姆赫兹线圈就可以实现两边强中间弱的磁场分布，从而将带电粒子束缚于其中。,应用：利用磁

4、约束装置，可以把高温等离子体约束起来，进而实现可控核聚变。,磁瓶,等离子体约束 利用一组线圈如下图环形排列，通电后就可形成等离子体磁约束装置，该装置又称托卡马克装置，是实现高温等离子体磁约束，进而实现可控核聚变的重要设备。,清华等离子体物理联合实验室的球形托卡马克装置,SUNIS装置（Sino United Spherical Tokamak）,目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，已于2007年4月在合肥建成。这个装置也被通称为“人造太阳”，能

5、够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。,技术人员在进行托卡马克实验装置安装,思考：在地磁两极附近，由外太空入射的粒子？, 地磁场就是一个天然的磁约束装置。,磁捕集器,地磁场靠近两极处的磁场强，而赤道平面处的磁场弱。,俘获从外层空间入射的带电粒子，形成一个带电粒子区域范艾伦辐射带,极光,美丽的极光,若在某一区域内同时有电场和磁场存在，则运动的带电粒子在此区域内所受到的作用力应是：,因此，可以利用外加的电场和磁场，来控制带电粒子流的运动，这在近代科学技术中的应用是极为重要的,3.带电粒子在电场和磁场中运动举例,回顾：测量带电粒子的荷质比。,1. 速度选择器,当 Fm = Fe 时，即 qvB =

6、qE,速度选择器，亦称速度过滤器,2 质谱仪,2 回旋加速器,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1 MeV的能量，为此1939年劳伦斯获诺贝尔物理学奖.,频率与半径无关,到半圆盒边缘时,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 .,四、霍耳效应,1879年霍耳发现载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳效应。相应的电势差称为霍耳电压。,现象,实验规律,在磁场不太强时，霍耳电压与电流I和磁感应强度B成正比，而与导电板的厚度d 成反比,-,-,-

7、,-,-,+,+,+,+,+,通有电流的导体板上，若垂直于板面施加一磁场，则在板面两侧会出现微弱电势差,I,B,1879年,霍尔发现在一个,+,+,+,+,+,I,电流强度,霍尔系数,*磁流体发电,气体在3000K高温下将发生电离，成为正、负离子，将高温等离子气体以1000m/s的速度进入均匀磁场B中,正电荷聚集在上板，负电荷聚集在下板，因而可向外供电。,霍耳效应的应用,半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度，且容易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。,判定载流子类型 测量载流子浓度 测量磁感应强度 测量电流 测量温度,1980年，德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体的霍耳效应时，发现UHB的曲线出现台阶，而不是线性关系量子