磁場對運動電荷的作用學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1磁場對運動電荷磁場對運動電荷(dinh)的作用的作用第一頁，共18頁。2二、帶電粒子在勻強磁場中的運動(yndng) 1. vB的情形(qng xing) 帶電粒子在垂直于磁場的平面內(nèi)勻速圓周運動(yndng)，洛倫茲力提供向心力 速率大的粒子圓周運動半徑大，速率小的粒子半徑小，但它們運行一周所需要的時間卻都相等。 這個重要結(jié)論是回旋加速器的理論依據(jù)。 單位時間內(nèi)粒子運行圈數(shù)稱帶電粒子的回旋頻率。 RmvqvB2qBmvR qBmvRT22mqBTf21第1頁/共18頁第二頁，共18頁。3 2. v與B間有任意(rny)夾角 離子旋轉(zhuǎn)半徑qBmVR v分解為垂直于磁場分量(fn lin

2、g)和平行于磁場分量(fn ling)：v=vsin, v/=vcos 兩個分量同時(tngsh)存在，粒子沿磁場的方向作螺旋線運動。BhhR一周期內(nèi)粒子沿磁場方向移動的距離為螺距。qBmvTvh/2 螺距h 與v無關(guān)。無論帶電粒子以多大速率沿何種方向進入磁場，只要平行磁場的速度分量v/ 相同，則運動軌跡的螺距就一定相等。第2頁/共18頁第三頁，共18頁。4* 磁聚焦(jjio)(magnetic focusing) 如果v/ 相同的帶電粒子從同一點射入磁場，那么(n me)它們必定在沿磁場方向上與入射點相距螺距h整數(shù)倍的地方又會聚在一起。這種類似光聚焦的現(xiàn)象稱磁聚焦。 它廣泛應(yīng)用與電真空器件

3、中。電子顯微鏡中的磁透鏡就是磁聚焦(jjio)原理的應(yīng)用。BhB第3頁/共18頁第四頁，共18頁。5 三、帶電粒子比荷(specific charge)的測定(cdng) 粒子所帶電(di din)量和質(zhì)量是粒子的基本性質(zhì)，電量與質(zhì)量之比 稱為比荷。 1. 電子(dinz)比荷的測定 用磁聚焦法測定電子比荷的一種裝置 lBOC 電子從陽極小孔中射出時的動能mv2/2=eU，求得電子運動速率為 ve Um2 第4頁/共18頁第五頁，共18頁。6 電子運動速率接近光速時，根據(jù)相對論規(guī)律，電子質(zhì)量將增大(zn d)，其比荷的絕對值將明顯減小。 當(dāng)電子的速率(sl)遠小于光速時，其比荷的絕對值為 e/

4、m = 1.759 1011 Ckg1 .可求得電子(dinz)的比荷 螺距h等于l，即 hlmveB 2emUl B8222 第5頁/共18頁第六頁，共18頁。7向心力就是(jish)離子所受洛倫茲力 同位素離子將落在底片(dpin)不同位置上，形成質(zhì)譜。根據(jù)譜線條數(shù)、位置可確定同位素種數(shù)和質(zhì)量。 2.離子(lz)比荷的測定 測離子比荷的儀器為質(zhì)譜儀 (mass spetrometer) 質(zhì)量m電量q 的帶電粒子經(jīng)過濾速器后，飛入磁場做圓周運動，落在感光片 A 處，A2B0Sqv1BE+*速度選擇器/濾速器:1qvBqE1BEvqvBMvR222RBvMq21BRBEMq第6頁/共18頁第七

5、頁，共18頁。8四、霍耳效應(yīng)(hu r xio yn)(Hall effect) 當(dāng)電流沿垂直于外磁場方向流過導(dǎo)體時，在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩側(cè)將出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)(hu r xio yn)，相應(yīng)的電勢差稱為霍耳電勢差。 由于出現(xiàn)霍耳電勢差使導(dǎo)體中出現(xiàn)相應(yīng)(xingyng)電場，稱為霍耳電場。 BvfmlhV2EVVlH12V1fH 載流子向?qū)w平板的左側(cè)聚集使導(dǎo)體平板左、右兩側(cè)出現(xiàn)電勢差。第7頁/共18頁第八頁，共18頁。9I= jlh = nqvlh平衡(pnghng)時 fm= fH 載流子在霍耳電場中運動受到電場力作用 fqEqVVlHH12qvBqVVl12VVnqI

6、Bh121霍耳系數(shù)，數(shù)值與載流子的濃度和電量的乘積成反比。nqK1HVVKIBh12H霍耳電勢差 第8頁/共18頁第九頁，共18頁。10測量(cling)磁感應(yīng)強度；*霍耳效應(yīng)(hu r xio yn)的應(yīng)用 半導(dǎo)體載流子濃度很小，霍耳效應(yīng)十分明顯，是研究半導(dǎo)體中載流子(電子或空穴)隨溫度、雜質(zhì)以及其它因素變化的重要(zhngyo)手段。 測量載流子類型和濃度；測量電流和電功率； 等離子體的霍耳效應(yīng)是磁流體發(fā)電的理論依據(jù)。電信號的轉(zhuǎn)換和運算。 1980年德國馮克利清在絕緣的SiO2層與p型半導(dǎo)體Si層相接觸形成的界面中發(fā)現(xiàn)量子霍耳效應(yīng)。第9頁/共18頁第十頁，共18頁。11反型層霍耳電阻率H為

7、霍耳電場與電流密度之比，即 EH=H jx jnevneEBxHHBne 1982年崔琦等發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子(lingz)霍耳效應(yīng)，低溫下在高遷移率的二維電子系統(tǒng)中觀測到霍耳電阻滿足he225812806.提供絕對電阻標(biāo)準(zhǔn)等72,58,57,54,53,52,51,35,34,32,31,2FeFhRHRhNeH2在霍耳電阻率與電子濃度反比關(guān)系上出現(xiàn)量子化平臺，整數(shù)量子霍耳效應(yīng)第10頁/共18頁第十一頁，共18頁。12根據(jù)(gnj)洛倫茲力提供向心力得mv=eRBR 只要軌道上磁感應(yīng)強度隨電子動量成比例地增加，電子就能夠在一個固定(gdng)的軌道上運行并被加速。 利用(lyng)變化磁場中渦旋電場

8、加速電子。 *五、電子感應(yīng)加速器(betatron) 電子被加速后能量可達數(shù)百兆電子伏特, 高能電子束可直接用于核物理實驗，也可用于轟擊靶以產(chǎn)生人工射線，還可以用來產(chǎn)生硬X射線，作無損探傷或癌癥治療之用。 第11頁/共18頁第十二頁，共18頁。13* 范阿侖輻射(fsh)帶(Van Allen belts)地軸 帶電粒子(如宇宙射線的帶電粒子)被地磁場捕獲(bhu)，繞地磁感應(yīng)線作螺旋線運動，在近兩極處地磁場增強，作螺旋運動的粒子被折回，結(jié)果沿磁感應(yīng)線來回振蕩形成范阿侖輻射帶。 因為它具有較高的能量，曾在人造衛(wèi)星的發(fā)射(fsh)等空間科學(xué)中發(fā)現(xiàn)了它，并給予了必要的考慮。 當(dāng)太陽黑子活動引起空間

9、磁場的變化，使粒子在兩極處的磁力線引導(dǎo)下，在兩極附近進入大氣層，能引起美妙的北極光。第12頁/共18頁第十三頁，共18頁。14磁束 如下圖所示，非均勻磁場具有(jyu)軸對稱分布，中間區(qū)域的磁場較弱，兩端的磁場較強。因為帶電粒子能被束縛在這類磁場中，這種磁場有時稱為磁束。 假設(shè)帶正電的粒子以垂直于紙面向里的速度v進入圖中的P1點，由于此處B的軸向分量，帶電粒子將作圓周運動。B還有一個(y )不大的向上徑向分量，此分量使作回旋運動的帶電粒子受到一指向右邊的力。 P3點剛好相反,此帶電粒子在P1和P3之間震蕩.第13頁/共18頁第十四頁，共18頁。15例1：用探測電荷（q0）探測空間O點電磁場，在

10、O處電荷速度及受力探測如下：試求：（1）O點的 ；（2）O點的 . BE)(EBvqF解：帶電粒子在電磁場中受力為：第14頁/共18頁第十五頁，共18頁。160FF因而(yn r):E（1） 0V在（a）中 （2）在（b）中， qEF 0軸沿以及xFq0, 0qFxE/,大小為軸沿)(0EBVqFy0,0BVqEFy軸yBBVy/第15頁/共18頁第十六頁，共18頁。17在（c）中， 0)(EBvqz即 zzVBBVE軸以及軸沿yBxE/,軸正向沿yBB的大小： zzBVBVE090sin第16頁/共18頁第十七頁，共18頁。18例2:已知地面上空(shngkng)某處地磁感應(yīng)強度B=0.410-4T,方向向北.若宇宙射線中有一速率v=5.0107m/s的質(zhì)子,垂直地面通過該處.求 1)洛倫茲力的方向; 2)洛倫茲力的大小,并與該質(zhì)子受到的萬有引力相比較.解 (