磁場對運(yùn)動電荷的作用

會計(jì)學(xué)1磁場對運(yùn)動電荷的作用2二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動

1.vB的情形帶電粒子在垂直于磁場的平面內(nèi)勻速圓周運(yùn)動，洛倫茲力提供向心力

速率大的粒子圓周運(yùn)動半徑大，速率小的粒子半徑小，但它們運(yùn)行一周所需要的時(shí)間卻都相等。這個(gè)重要結(jié)論是回旋加速器的理論依據(jù)。單位時(shí)間內(nèi)粒子運(yùn)行圈數(shù)稱帶電粒子的回旋頻率。

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2.v與B間有任意夾角

離子旋轉(zhuǎn)半徑v分解為垂直于磁場分量和平行于磁場分量：v=vsin,v//=vcos

兩個(gè)分量同時(shí)存在，粒子沿磁場的方向作螺旋線運(yùn)動。hhR一周期內(nèi)粒子沿磁場方向移動的距離為螺距。

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(jìn)入磁場，只要平行磁場的速度分量v//相同，則運(yùn)動軌跡的螺距就一定相等。第2頁/共18頁4*磁聚焦(magneticfocusing)

如果v//相同的帶電粒子從同一點(diǎn)射入磁場，那么它們必定在沿磁場方向上與入射點(diǎn)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)用與電真空器件中。電子顯微鏡中的磁透鏡就是磁聚焦原理的應(yīng)用。hB第3頁/共18頁5

三、帶電粒子比荷(specificcharge)的測定

粒子所帶電量和質(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(shí)的動能mv2/2=eU，求得電子運(yùn)動速率為第4頁/共18頁6

電子運(yùn)動速率接近光速時(shí)，根據(jù)相對論規(guī)律，電子質(zhì)量將增大，其比荷的絕對值將明顯減小。

當(dāng)電子的速率遠(yuǎn)小于光速時(shí)，其比荷的絕對值為e/m=1.7591011Ckg1.可求得電子的比荷螺距h等于l，即第5頁/共18頁7向心力就是離子所受洛倫茲力

同位素離子將落在底片不同位置上，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.離子比荷的測定測離子比荷的儀器為質(zhì)譜儀(massspetrometer)

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(yùn)動，落在感光片

A

處，+*速度選擇器/濾速器:第6頁/共18頁8四、霍耳效應(yīng)(Halleffect)

當(dāng)電流沿垂直于外磁場方向流過導(dǎo)體時(shí)，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)，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)電場，稱為霍耳電場。⊕vfmlhV2V1fH

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9∵I=jlh=nqvlh平衡時(shí)

fm=fH

載流子在霍耳電場中運(yùn)動受到電場力作用霍耳系數(shù)，數(shù)值與載流子的濃度和電量的乘積成反比?；舳妱莶畹?頁/共18頁10測量磁感應(yīng)強(qiáng)度；*霍耳效應(yīng)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(yùn)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11反型層霍耳電阻率H為霍耳電場與電流密度之比，即

EH=H

jx

1982年崔琦等發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(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提供絕對電阻標(biāo)準(zhǔn)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12根據(jù)洛倫茲力提供向心力得mv=eRBR

只要軌道上磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電子動量成比例地增加，電子就能夠在一個(gè)固定的軌道上運(yùn)行并被加速。利用變化磁場中渦旋電場加速電子。*五、電子感應(yīng)加速器(betatron)

電子被加速后能量可達(dá)數(shù)百兆電子伏特,高能電子束可直接用于核物理實(shí)驗(yàn)，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13*范阿侖輻射帶(VanAllenbelts)地軸

帶電粒子(如宇宙射線的帶電粒子)被地磁場捕獲，繞地磁感應(yīng)線作螺旋線運(yùn)動，在近兩極處地磁場增強(qiáng)，作螺旋運(yùn)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?yàn)樗哂休^高的能量，曾在人造衛(wèi)星的發(fā)射等空間科學(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(jìn)入大氣層，能引起美妙的北極光。第12頁/共18頁14磁束如下圖所示，非均勻磁

場具有軸對稱分布，中

間區(qū)域的磁場較弱，兩

端的磁場較強(qiáng)。因?yàn)閹?/p>

電粒子能被束縛在這類

磁場中，這種磁場有時(shí)

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(jìn)

入圖中的P1點(diǎn)，由于此處B的軸向分量，帶電粒子將

作圓周運(yùn)動。B還有一個(gè)不大的向上徑向分量，此分量使作回旋運(yùn)動的帶電粒子受到一指向右邊的力。P3點(diǎn)剛好相反,此帶電粒子在P1和P3之間震蕩.第13頁/共18頁15例1：用探測電荷（q>0）探測空間O點(diǎn)電磁場，在

O處電荷速度及受力探測如下：試求：（1）O點(diǎn)的

；（2）O點(diǎn)的.解：帶電粒子在電磁場中受力為：第14頁/共18頁16因而:（1）在（a）中（2）在（b）中，

第15頁/共18頁17在（c）中，即的大?。旱?6頁/共18頁18例2:已知地面上空某處地磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.4×10-4T,

方向向北.若宇宙射線中有一速率v=5.0×107m/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(1)依照可知洛倫茲力的方向?yàn)?/p>

的方向.(2)因v⊥B,質(zhì)子所受