7 8磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作用力

1一、洛侖茲力n-----電荷數(shù)密度,v----電荷定向運(yùn)動(dòng)速度Idl受的安培力電流定義S§10-7(§10-8)

磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用—霍爾效應(yīng)2－Idl中的運(yùn)動(dòng)電荷數(shù)每個(gè)帶電粒子受到的磁場(chǎng)力－洛侖茲力洛侖茲力：S31、矢量式洛侖茲力：注意：q有正有負(fù)。方向：42、洛侖茲力特點(diǎn)1）F洛不作功，也不改變運(yùn)動(dòng)電荷速度大小，只是改變運(yùn)動(dòng)方向，使路徑發(fā)生彎曲。2）v＝0，3、運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況1）在磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)。F洛＝0，磁場(chǎng)對(duì)靜止電荷無作用。52）洛侖茲力提供向心力，電荷作勻速率圓周運(yùn)動(dòng)。6螺距3）作螺旋線運(yùn)動(dòng)。（以自由電子為例）7回旋加速器（1939年）電子顯微鏡（1986年）量子霍爾效應(yīng)（1985年）分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（1998年）四個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)：二、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

因?yàn)殡姶艑W(xué)方程是洛侖茲協(xié)變的，所以洛侖茲力滿足力的相對(duì)論變換。洛侖茲力81、回旋加速器（cyclotron）q

mvfR×B

電子回旋周期與速度無關(guān)，所以帶電粒子每次經(jīng)過縫隙（電場(chǎng)區(qū)域）均被加速。~

BBD形金屬空腔帶電粒子9回旋加速器原理圖NSBO~N102、磁聚焦—電子顯微鏡螺距：（勻速運(yùn)動(dòng)）（圓周運(yùn)動(dòng)）螺旋線帶電粒子每回旋一周所前進(jìn)的距離d與v

無關(guān)。帶電粒子11應(yīng)用：電子光學(xué),電子顯微鏡等.

磁聚焦在均勻磁場(chǎng)中某點(diǎn)A發(fā)射一束初速相差不大的帶電粒子，它們的與之間的夾角不盡相同，但都較小，這些粒子沿半徑不同的螺旋線運(yùn)動(dòng)，因螺距近似相等，都相交于屏上同一點(diǎn)，此現(xiàn)象稱之為磁聚焦。12螺距：均勻磁場(chǎng)中螺距相同的電子被聚焦：

實(shí)際中用得更多的是短線圈產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)的磁聚焦作用，這種線圈通常稱為磁透鏡，它在電子顯微鏡中起了與光學(xué)儀器中的透鏡類似的作用。133、磁約束橫向磁約束：

磁場(chǎng)越強(qiáng)，半徑越小。在強(qiáng)磁場(chǎng)中，帶電粒子被約束在一根磁感應(yīng)線附近很小范圍內(nèi)，只能沿磁感應(yīng)線作縱向運(yùn)動(dòng)。受控?zé)岷朔磻?yīng)等離子體磁約束14縱向磁約束：

帶電粒子會(huì)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)。磁場(chǎng)由弱到強(qiáng)的配置稱為磁鏡。磁鏡磁鏡帶電粒子15

在地磁兩極附近，由于磁感線與地面垂直，外層空間入射的帶電粒子可直接射入高空大氣層內(nèi)，它們和空氣分子的碰撞產(chǎn)生的輻射就形成了極光。絢麗多彩的極光16霍耳效應(yīng)4、霍爾（Hall）效應(yīng)由于洛侖茲力作用，處于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一橫向電場(chǎng)和橫向電壓的現(xiàn)象。1)現(xiàn)象：17在霍爾效應(yīng)中，霍爾電阻與B

成正比。IBbdv+qf++++++++++++++-----------UH霍爾電阻：霍爾電壓2)實(shí)驗(yàn)規(guī)律：RH－霍耳系數(shù)，由材料性質(zhì)決定。3)理論解釋：18霍爾器件：檢測(cè)載流子、測(cè)弱磁場(chǎng)等。【思考】載流子換成電子，UH的方向？IBv-e—++++++++++++++-----------f與正載流子情況相比，UH反向！194)霍耳效應(yīng)的應(yīng)用(2)測(cè)量n，研究半導(dǎo)體載流子的濃度。(1)判斷半導(dǎo)體的類型I++++---P型半導(dǎo)體+-+++---N型半導(dǎo)體-I+-霍耳電壓20KMNR(4)磁流體發(fā)電基本原理示意圖

高溫高速的等離子氣體

垂直于氣流的方向上加有磁場(chǎng)

電極上獲得連續(xù)輸出的電能

導(dǎo)電管霍耳電勢(shì)差(3)測(cè)量磁場(chǎng)（高斯計(jì)）霍耳電壓21用電場(chǎng)使電子局限于半導(dǎo)體表面，形成二維電子氣?；魻栯娮枇孔踊?、量子霍爾效應(yīng)

2條件1）低溫（~K）2）強(qiáng)磁場(chǎng)（~10T）1發(fā)現(xiàn)1980年，德國物理學(xué)家馮?克利青（K.Von.Klitzing）從金屬—氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管中發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應(yīng)（1985’NobelPrize）（一）整數(shù)量子霍耳效應(yīng)22量子霍爾效應(yīng)曲線BRH234經(jīng)典霍爾電阻23磁場(chǎng)變化時(shí)霍爾電阻以臺(tái)階形式變化臺(tái)階高度等于物理常數(shù)h/e2

除以整數(shù)n。h/e2

25k

。下面帶峰的曲線表示歐姆電阻，在每個(gè)平臺(tái)處趨于消失。234量子霍爾效應(yīng)24（二）分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)1發(fā)現(xiàn)2條件1）更低溫度2）更強(qiáng)磁場(chǎng)，3表達(dá)式崔琦1998諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)崔琦（D.C.Tsui）和施特默1982年發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

(1998’NobelPrize)251/32/51320.1K分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)崔琦和施特默19821998’NobelPrize261998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者之—崔琦美籍華人DanielC.Tsui1939生于河南分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)27例1、帶正電荷q的離子以速度沿+x軸方向運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)沿+y軸，應(yīng)加多大數(shù)值和什么方向的電場(chǎng)，才能使離子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)？

(A)E=B,;沿-y軸;

(B)E=VB,沿-y軸;

(C)E=VB,;沿-Z軸;

(D)E=B,;沿-Z軸答案:(C)xyz28例2、帶負(fù)電荷q的離子以速度沿+x軸方向運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)沿+y軸，應(yīng)加多大數(shù)值和什么方向的電場(chǎng)，才能使離子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)？

(A)E=VB,;沿+y軸;

(B)E=VB,沿-y軸;

(C)E=VB,;沿-Z軸;

(D)E=VB,;沿+Z軸答案:(C)X(v)Y(B)z29例3：如圖所示，一電