[理學]8-5 帶電粒子在電場和磁場這運動的應用簡潔版 modifiedppt課件

1、8-5 8-5 帶電粒子在電帶電粒子在電場和磁場中運動場和磁場中運動8-5 8-5 帶電粒子在電場和磁場中的運動帶電粒子在電場和磁場中的運動 qB 當帶電粒子沿磁場方向運動時當帶電粒子沿磁場方向運動時: :mFqvB 0F 當帶電粒子的運動方向與磁當帶電粒子的運動方向與磁場方向垂直時場方向垂直時: :v qB v F mFvB 且且1 1、洛倫茲力、洛倫茲力 qv F B 普通情況下，假設帶電粒子運動的普通情況下，假設帶電粒子運動的方向與磁場方向成夾角方向與磁場方向成夾角 時。時。sinFqvB FqvB 大?。捍笮。悍较颍悍较颍?的方向的方向 vB 思索：當思索：當q 0時時, 方向？方向？

2、 洛倫茲力：洛倫茲力：2.1 2.1 均勻磁場均勻磁場 ，B 1 1假設假設 與與 相平行，相平行，B 0v 0. 粒子作勻速直線運動。粒子作勻速直線運動。2 2假設假設 與與 垂直，垂直，B 0v 0.Fqv B 粒子作勻速圓周運動。粒子作勻速圓周運動。B 0v 帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動2 2、帶電粒子在磁場中的運動、帶電粒子在磁場中的運動電量電量q、質(zhì)量、質(zhì)量m的粒子，以初速的粒子，以初速 v0 進入磁場。進入磁場。 FqvB BBBvvvFFqFB200vqv BmR 0.mvRqB022.RmTvqB 0Fqv B 軌道半徑：軌道半徑：圓周運動周期：圓周運動周期：牛

3、二定律：牛二定律：粒子作勻速圓周運動。粒子作勻速圓周運動。3 3假設假設 與與 斜交成斜交成角角 B 0v q0nv 0v 0 xv B 00cosxvv 00sinnvv 0,nmvRqB 002 .xxmhv TvqB 螺螺距距2.mTqB 粒子作螺旋運動。粒子作螺旋運動。2.2 2.2 帶電粒子在非均勻磁場中運動帶電粒子在非均勻磁場中運動帶電粒子在非均勻磁場中運動帶電粒子在非均勻磁場中運動1 1會聚磁場中作螺旋運動帶電粒子掉會聚磁場中作螺旋運動帶電粒子掉向返轉(zhuǎn)向返轉(zhuǎn)BF vq以正電荷為例，以正電荷為例，vBF FqvB 2 2磁約束安裝磁約束安裝BFv帶電粒子帶電粒子磁鏡磁鏡磁鏡磁鏡 帶

4、電粒子會像光在兩面鏡子間來回反射那樣，帶電粒子會像光在兩面鏡子間來回反射那樣，被限制在兩磁鏡之間的范圍內(nèi)。被限制在兩磁鏡之間的范圍內(nèi)。磁場由弱到強的配置稱為磁鏡。磁場由弱到強的配置稱為磁鏡。3 3范范艾侖艾侖(J.A.Van Allen)(J.A.Van Allen)輻射帶輻射帶宇宙空間的非均勻磁場：宇宙空間的非均勻磁場：等離子體磁約束等離子體磁約束 n等離子體：部分或完全電離的氣體。等離子體：部分或完全電離的氣體。 n特點：由大量自在電子和正離子及中性原子、特點：由大量自在電子和正離子及中性原子、分子組成，宏觀上近似中性，即所含正負電荷分子組成，宏觀上近似中性，即所含正負電荷數(shù)處處相等。數(shù)處

5、處相等。 n帶電粒子在磁場中沿螺旋線運動帶電粒子在磁場中沿螺旋線運動cos2cos,sinvqBmTvhqBmvR與與B成成反比反比n強磁場中，每個帶電粒子的活動被約束在一根磁力強磁場中，每個帶電粒子的活動被約束在一根磁力線上，此時，帶電粒子盤旋中心引導中心只能沿線上，此時，帶電粒子盤旋中心引導中心只能沿磁感應線作縱向運動，不能橫越。磁感應線作縱向運動，不能橫越。磁約束磁約束n例：受控熱核反響例：受控熱核反響托克馬克、磁鏡托克馬克、磁鏡托卡馬克安裝原理表示圖托卡馬克安裝原理表示圖4 4托卡馬克安裝托卡馬克安裝等離子體磁約束等離子體磁約束托卡馬克安裝內(nèi)部實景托卡馬克安裝內(nèi)部實景 帶電量帶電量 q

6、 的粒子，在靜電場的粒子，在靜電場 中遭到的作用力：中遭到的作用力：E .FqE 帶電量帶電量 q 的粒子，在靜電場的粒子，在靜電場 和磁場和磁場 中以速中以速度度 運動時，遭到的作用力：運動時，遭到的作用力：E B v .FqEqvB 帶電量帶電量 q 的粒子，在磁場的粒子，在磁場 中以速度中以速度 運動時，運動時，遭到的作用力：遭到的作用力：B v .FqvB 洛倫茲力洛倫茲力3 3、帶電粒子在、帶電粒子在 電磁場電磁場 中的運動中的運動盤旋加速器盤旋加速器1939年年電子顯微鏡電子顯微鏡1986年年量子霍爾效應量子霍爾效應1985年年分數(shù)量子霍爾效應分數(shù)量子霍爾效應1998年年n四個諾貝

7、爾物理獎：四個諾貝爾物理獎： 帶電量帶電量 q 的粒子，在靜電場的粒子，在靜電場 和磁場和磁場 中以速中以速度度 運動時，遭到的作用力：運動時，遭到的作用力：E B v .FqEqvB 3.1、磁聚焦、磁聚焦電子顯微鏡電子顯微鏡/2vBqmvTd 螺距：螺距： cos/vv 勻速運動勻速運動 sinvv 圓周運動圓周運動螺旋線螺旋線帶電粒子每盤旋一周所前進的間隔帶電粒子每盤旋一周所前進的間隔d與與v無關(guān)。無關(guān)。帶電粒子帶電粒子磁聚焦磁聚焦電子顯微鏡中的磁聚焦電子顯微鏡中的磁聚焦一種用來獲得高能帶電粒子的設備。一種用來獲得高能帶電粒子的設備。2. 使帶電粒子在縫隙電使帶電粒子在縫隙電場的作用下得

8、到加速。場的作用下得到加速。使帶電粒子在磁場作使帶電粒子在磁場作用下作盤旋運動。用下作盤旋運動。3.2、盤旋加速器、盤旋加速器cyclotron根本性能：根本性能： (2,)Tm Bqv 在在非非相相對對論論情情況況下下與與 無無關(guān)關(guān)E.O. 勞倫斯勞倫斯 (1901-1957) 設計的設計的 世界上第一臺盤旋加速器世界上第一臺盤旋加速器歐洲同步輻射加速器歐洲同步輻射加速器ESRFESRF世界上的同步盤旋加速器世界上的同步盤旋加速器Spring-8日本日本APS美國美國Diamond盤旋加速器盤旋加速器( 3GeV) 3.3、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀分析同位素的重要儀器，利用電場和分析同位素的重要儀器，

9、利用電場和磁場的各種組合來實現(xiàn)。磁場的各種組合來實現(xiàn)。狹縫狹縫偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)板照相底片照相底片離子源離子源.+ BR勻強磁場勻強磁場粒子徑跡粒子徑跡速度選擇器速度選擇器v=E/B倍恩勃立奇倍恩勃立奇(Bainbridge)(Bainbridge)質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀.mmvEBRqqBB 在一個通有電流的導體板上，垂直在一個通有電流的導體板上，垂直于板面施加一磁場，那么平行磁場的兩于板面施加一磁場，那么平行磁場的兩面出現(xiàn)一個電勢差。面出現(xiàn)一個電勢差?；舳舳?1855-1938)(1855-1938)霍耳電勢差霍耳電勢差3.4. 霍耳霍耳E. C. Hall)效應效應經(jīng)典霍耳效應經(jīng)典霍耳效應1879.Hq

10、vBqE IBdbv+qf+- - - - - - - - - - -UHEH.HHUE bvBb 當洛侖茲力和電場力平衡時，不再發(fā)生漂移運動。當洛侖茲力和電場力平衡時，不再發(fā)生漂移運動?；魻栯妷弘妱莶睿夯魻栯妷弘妱莶睿?霍耳效應解釋與分析霍耳效應解釋與分析霍爾電場：霍爾電場：.HEvB 霍爾器件：檢測載流子、測弱磁場等?；魻柶骷簷z測載流子、測弱磁場等?！舅妓鳌枯d流子換成電子，【思索】載流子換成電子，UH的方向？的方向？IBv-e+- - - - - - - - - - -f與正載流子情況相比，與正載流子情況相比，UH反向！反向！.fqvB 作業(yè)作業(yè):習題習題. 8-27，30Chap. 1

11、1-30【無，需找【無，需找替代習題】替代習題】Need modificationNeed modification U陰陰極極控制極控制極陽極陽極Bl例例11-3 宇宙射線中的一個質(zhì)子以速率宇宙射線中的一個質(zhì)子以速率 v = 1.0107m/s豎直豎直進入地球磁場內(nèi)。估算作用在這個質(zhì)子上的磁力有多大？進入地球磁場內(nèi)。估算作用在這個質(zhì)子上的磁力有多大？當討論微觀帶電粒子在磁場中的運動時，普通當討論微觀帶電粒子在磁場中的運動時，普通可以忽略重力的影響?？梢院雎灾亓Φ挠绊憽inFqvB 解解: 在赤道附近的地磁場沿程度方向，接近地面在赤道附近的地磁場沿程度方向，接近地面處的磁感應強度約為處的磁感應強度約為B= 0.310-4T ，例題例題11-3 11-3 根據(jù)洛侖茲力公式：根據(jù)洛侖茲力公式：19741.6 101.0 100.3 10sin90174.810.N 26 1.6 10GmgN 重重力力9 10 .FG 地球磁場的空間分布地球磁場的空間分布 在地磁兩極附近，由于磁感線與地面垂直，外層空在地磁兩極附近，由于磁感線與地面