普通物理學(xué)8-5課件

大?。旱姆较颉?-5帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動(dòng)一、洛倫茲力一般情況下，如果帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生力的作用，此一磁場力叫洛倫茲力。方向與磁場方向成夾角時(shí)。洛倫茲力為（右手螺旋定則）當(dāng)帶電粒子沿磁場方向運(yùn)動(dòng)時(shí):當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直時(shí):帶電粒子所受洛倫茲力總是和帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向垂直，故它只能改變帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向，不改變速度大小，即洛倫茲力不作功。1.帶電粒子在均勻磁場中的運(yùn)動(dòng)粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。周期軌道半徑由于洛倫茲力與速度方向垂直，粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。洛倫茲力為向心力角頻率2.帶電粒子在非均勻磁場中運(yùn)動(dòng)帶電粒子在非均勻磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí),半徑和螺距都將隨磁場增大而減小，將作變半徑的螺旋線運(yùn)動(dòng)；特別是當(dāng)粒子向磁場增強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子所受的磁場力,恒有一指向磁場較弱方向的分力,這個(gè)分力阻止帶電粒子向磁場較強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)。這樣有可能使粒子沿磁場增強(qiáng)方向的速度逐漸減小到零,從而迫使粒子掉向反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。粒子的這種返轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就好象光線遇到鏡面的反射一樣，所以這種裝置稱為磁鏡。F2F1BvFBv線圈(磁鏡)（磁鏡）（磁鏡）（2）磁約束裝置（磁瓶）范艾侖輻射帶的形成示意圖包圍地球外圍的范艾侖輻射帶1958年人造衛(wèi)星的探測發(fā)現(xiàn),,范艾侖輻射帶有兩層,內(nèi)層在距地面800-4000Km處,外層在60000Km處。北極光的產(chǎn)生是由于有時(shí)太陽黑子活動(dòng)，太陽噴射的高能帶電粒子流形成的太陽風(fēng)，在地磁感應(yīng)線的引導(dǎo)下在地球北極附近進(jìn)入大氣層時(shí)將使大氣激發(fā)，然后輻射發(fā)光，從而出現(xiàn)美麗的北極光。在靠近兩極的一些國家和地區(qū),如美國的阿拉斯加,亞洲的西伯利亞,歐洲的挪威、瑞典和芬蘭等國家，夜晚的天空會(huì)出現(xiàn)五顏六色絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，有的呈弧形，有的呈彌漫狀的斑塊，有的呈大而均勻的發(fā)光面等它們被統(tǒng)稱做極光，發(fā)生在北極的稱北極光，發(fā)生在南極的稱南極光。

在研究受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)中，常常需要把等離子體約束在一定空間區(qū)域，等離子體溫度高達(dá)幾千萬甚至幾億攝氏度，固體材料在這樣的高溫下都將被汽化，因此，可以利用上述帶電粒子在非均勻磁場運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將等離子體約束在一定的空間。下面我們將介紹一種等離體磁約束裝置―托卡馬克。等離子體——物質(zhì)的第四態(tài)

等離子是由大量的自由帶電粒子以及部分中性粒子所組成的體系。宏觀上一般呈電中性，導(dǎo)電率較高，其運(yùn)動(dòng)形式主要受電磁力支配。例如，在地球以外，圍繞地球的電離層、太陽及其它恒星等是天然的等離子體，而日光燈管中發(fā)光的電離氣體和實(shí)驗(yàn)室中高溫電離氣體都是人造等離子體。托卡馬克裝置原理示意圖托卡馬克裝置剖面結(jié)構(gòu)和工作時(shí)內(nèi)部狀態(tài)（上）示意圖二、帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)用帶有電荷量的粒子在靜電場和磁場中以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的作用力將是：洛倫茲關(guān)系式1.磁聚焦一束速度大小相近，方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度夾角很小的帶電粒子流從同一點(diǎn)出發(fā)，由于平行磁場速度分量基本相等，因而螺距基本相等，這樣，各帶電粒子繞行一周后將匯聚于一點(diǎn)，類似于光學(xué)透鏡的光聚焦現(xiàn)象，稱磁聚焦。廣泛應(yīng)用于電真空器件中對(duì)電子的聚焦。顯象管中電子的磁聚焦裝置示意圖

回旋加速器是核物理、高能物理實(shí)驗(yàn)中用來獲得高能帶電粒子的設(shè)備，下圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。2.回旋加速器D形盒電磁鐵電磁鐵離子源高頻交變電源使D型盒間縫隙處產(chǎn)生高頻交變電場使帶電粒子每經(jīng)過縫隙處就被加速一次。帶電粒子在盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)只受磁場作用速率不變。在一半盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為該時(shí)間與運(yùn)動(dòng)半徑無關(guān)，只要高頻電源頻率和帶電粒子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率一樣，就可保證其每次經(jīng)過縫隙處被加速。在粒子被加速到近光速時(shí)，考慮相對(duì)論效應(yīng)，粒子在盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長，旋轉(zhuǎn)頻率下降，此時(shí)使高頻電場頻率與帶電粒子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率同步變化，就仍可保證粒子被加速，這種回旋加速器叫同步回旋加速器。

回旋加速器一般用來加速質(zhì)量較大的帶電粒子。下圖為世界最大的回旋加速器內(nèi)部情況。倍恩勃立奇質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)示意圖速度選擇器離子源加速電場均勻磁場3.質(zhì)譜儀電場力磁場力

當(dāng)離子進(jìn)入兩板之間,它們將受到電場力和磁場力的作用,兩力的方向相反,只有速率等于E/B’的離子,才能無偏轉(zhuǎn)地通過兩板間的狹縫沿直線運(yùn)動(dòng)。

首先用互相垂直的均勻電場和均勻磁場對(duì)帶電粒子聯(lián)合作用,選擇速度適宜的帶電粒子。速度選擇器原理上式中，除質(zhì)量外m

，其余均為定值，半徑R

與質(zhì)量m

成正比，即同位素離子在磁場中作半徑不同的圓周運(yùn)動(dòng),這些離子將按照質(zhì)量的不同而分別射到照相底片AA’上的不同位置,形成若干線譜狀的細(xì)條，每一細(xì)線條代表不同的質(zhì)量。從S0射出的離子進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場后,受磁場力的作用將作圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為依據(jù)離子在照相底片上的位置可算出這些離子的相應(yīng)質(zhì)量。所以這種儀器叫質(zhì)譜儀?？删_測同位素相對(duì)原子量。帶電粒子電荷量與質(zhì)量之比稱做帶電粒子的比荷，是反映基本粒子特征的重要物理量。質(zhì)譜儀可測定不同速度下的比荷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高速情況下同一粒子比荷有所變化，這是由于帶電粒子質(zhì)量按相對(duì)論關(guān)系變化引起的，與電荷無關(guān)。這就驗(yàn)證了帶電粒子的運(yùn)動(dòng)不改變其電荷量。實(shí)驗(yàn)指出，在磁場不太強(qiáng)時(shí)，霍耳電勢差

U與電流強(qiáng)度I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，與板的寬d成反比。RH稱為霍耳系數(shù)，僅與材料有關(guān)。原理霍爾效應(yīng)是由于導(dǎo)體中的載流子在磁場中受到洛侖茲力的作用發(fā)生橫向漂移的結(jié)果。下面以金屬導(dǎo)體為例，來說明其原理12其中載流子是電子，運(yùn)動(dòng)方向與電流流向相反，如果在垂直于電流方向加一均勻磁場，這些自由電子受洛侖茲力的作用，大小為EH12EH洛侖茲力向上，使電子向上漂移，使得金屬薄片上側(cè)有多余負(fù)電荷積累，下側(cè)缺少負(fù)電荷，有多余正電荷積累，結(jié)果在導(dǎo)體內(nèi)形成附加電場，稱霍爾電場。此電場給電子電場力與洛侖茲力反向，大小為當(dāng)Fe=FH

時(shí)不再有飄移，載流子正常移動(dòng)。所以此時(shí)霍爾電場為所以霍爾電勢差為當(dāng)Fe=FH

時(shí)導(dǎo)體中單位體積內(nèi)的帶電粒子數(shù)為n，則通過導(dǎo)體電流代入上式得霍爾系數(shù)為又若載流子為帶正電的q則霍爾系數(shù)為霍爾效應(yīng)的應(yīng)用2、根據(jù)霍耳系數(shù)的大小的測定，可以確定載流子的濃度n型半導(dǎo)體載流子為電子p型半導(dǎo)體載流子為帶正電的空穴1、確定半導(dǎo)體的類型霍耳效應(yīng)已在測量技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越普遍的應(yīng)用。3、磁流體發(fā)電電極發(fā)電通道導(dǎo)電氣體磁流體發(fā)電導(dǎo)電氣體發(fā)電通道電極磁流體發(fā)電原理圖使高溫等離子體（導(dǎo)電流體）以1000ms-1的高速進(jìn)入發(fā)電通道（發(fā)電通道上下兩面有磁極），由于洛侖茲力作用，結(jié)果在發(fā)電通道兩側(cè)的電極上產(chǎn)生電勢差。不斷提供高溫高速的等離子體，便能在電極上連續(xù)輸出電能。理論曲線

量子霍耳效應(yīng)B崔琦、施特默：更強(qiáng)磁場下

克里青：半導(dǎo)體在低溫強(qiáng)磁場m=1、2、3、…

1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)

1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)曲線物理知識(shí)選擇進(jìn)入下一節(jié)§8-0教學(xué)基本