普通物理學85

1、當帶電粒子沿磁場方向運動時:,當帶電粒子的運動方向與磁場方向垂直時:,,,,,帶電粒子所受洛倫茲力總是和帶電粒子運動方向垂直，故它只能改變帶電粒子運動方向，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動,粒子作勻速直線運動。,,,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動。洛倫茲力為向心力,,,,角頻率,,（3）如果 與 斜交成?角,粒子作螺旋運動，半徑,螺距,周期,注意:螺距僅與平行

2、于磁場方向的初速度有關(guān),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時, 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動；特別是當粒子向磁場增強的方向運動時，粒子所受的磁場力,恒有一指向磁場較弱方向的分力,這個分力阻止帶電粒子向磁場較強的方向運動。這樣有可能使粒子沿磁場增強方向的速度逐漸減小到零,從而迫使粒子掉向反轉(zhuǎn)運動。粒子的這種返轉(zhuǎn)運動就好象光線遇到鏡面的反射一樣，所以這種裝置稱為磁鏡。,,（2）磁約束裝置（磁

3、瓶）,當來自外層空間的大量粒子(宇宙射線)進入地球磁場范圍,粒子將繞地磁感應線作螺旋運動,因為在近兩極處地磁場增強,作螺旋運動的粒子將被折回,結(jié)果粒子在沿磁感應線的區(qū)域內(nèi)來回振蕩,形成一個帶電粒子區(qū)域,稱范艾侖輻射帶,此帶相對地球作對稱分布。,范艾侖輻射帶：宇宙中的磁約束現(xiàn)象,,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60000K

4、m處。,北極光的產(chǎn)生是由于有時太陽黑子活動，太陽噴射的高能帶電粒子流形成的太陽風，在地磁感應線的引導下在地球北極附近進入大氣層時將使大氣激發(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。,美麗

5、的極光,在研究受控熱核反應實驗中，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動的特點，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，導電率較高，其運動形式主要受電磁力支配。例如，在地球以外，圍繞地球

6、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)光的電離氣體和實驗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)和工作時內(nèi)部狀態(tài)（上）示意圖,托卡馬克裝置環(huán)型容器內(nèi)部實景,二、帶電粒子在電磁場中的運動和應用,帶有電荷量 的粒子在靜電場 和磁場 中以速度 運動時受到的作用力將是：,洛倫茲關(guān)系式,1. 磁聚焦,一束速度大小相近，方向與磁感應強度夾角很小的帶電粒子流從同一點出發(fā)，由于平行磁場

7、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，類似于光學透鏡的光聚焦現(xiàn)象，稱磁聚焦。廣泛應用于電真空器件中對電子的聚焦。,,顯象管中電子的磁聚焦裝置示意圖,,,,,,,回旋加速器是核物理、高能物理實驗中用來獲得高能帶電粒子的設備，下圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。,2. 回旋加速器,,,,(1)裝置,電磁鐵,產(chǎn)生強大磁場,D形真空盒,放在真空室內(nèi)，接高頻交變電壓，使粒子旋轉(zhuǎn)加速,,(2)原理,離子源產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)電場加

8、速進入D1磁場使粒子在盒內(nèi)做圓運動，,帶電粒子源產(chǎn)生帶電粒子,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)運動時只受磁場作用速率不變。在一半盒內(nèi)運動時間為,該時間與運動半徑無關(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，考慮相對論效應，粒子在盒內(nèi)運動時間變長，旋轉(zhuǎn)頻率下降，此時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

9、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,質(zhì)譜儀是利用電場和磁場的各種組合達到把電荷量相同而質(zhì)量不同的帶電粒子分開的目的，是分析同位素的重要儀器，也是測定離子比荷的重要儀器。,從離子源所產(chǎn)生的離子經(jīng)過狹縫S1與S2之間的加速電場后,進入P1與P2兩板之間的狹縫,在P

10、1和P2兩板之間有一均勻電場E,同時還有垂直向外的均勻磁場B’。帶電粒子同時受到方向相反的電場力和磁場力的作用，顯然，只有所受的這兩種力大小相等的粒子才能通過兩板間狹縫，否則，就落在兩板上而不能通過。這一裝置叫速度選擇器。,電場力,磁場力,當離子進入兩板之間,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動。,首先用互相垂直的均勻電場和均勻磁場對帶電粒子聯(lián)合作用,選擇速度

11、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動 ,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條，每一細線條代表不同的質(zhì)量 。,從S0射出的離子進入磁感應強度為B的磁場后,受磁場力的作用將作圓周運動，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質(zhì)量。所以這種儀器叫質(zhì)譜儀。可精確測同位素

12、相對原子量。,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,實驗發(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)量按相對論關(guān)系變化引起的，與電荷無關(guān)。這就驗證了帶電粒子的運動不改變其電荷量。,4. 霍耳（E.C.Hall)效應,在一個通有電流的導體板上，垂直于板面施加一磁場，則平行磁場的兩面出現(xiàn)一個電勢差，這一現(xiàn)象是1879年美國物理學家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應。該電勢

13、差稱為霍耳電勢差 。,實驗指出，在磁場不太強時，霍耳電勢差 U與電流強度I和磁感應強度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,霍爾效應是由于導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。下面以金屬導體為例，來說明其原理,其中載流子是電子，運動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,洛侖茲力向上，使電子向上漂移，使得金屬薄片上側(cè)有多余負電荷積累

14、，下側(cè)缺少負電荷，有多余正電荷積累，結(jié)果在導體內(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Fe=FH 時不再有飄移，載流子正常移動。,所以此時霍爾電場為,所以霍爾電勢差為,當Fe=FH 時,導體中單位體積內(nèi)的帶電粒子數(shù)為n，則通過導體電流,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,霍爾效應的應用,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型半導體載流子為電子p型

15、半導體載流子為帶正電的空穴,1、確定半導體的類型,霍耳效應已在測量技術(shù)、電子技術(shù)、計算技術(shù)等各個領域中得到越來越普遍的應用。,3、磁流體發(fā)電,,磁流體發(fā)電,使高溫等離子體（導電流體）以1000ms-1的高速進入發(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,崔琦、施特默：更強磁場下,克里青：半導體在低溫強磁場

16、m=1、2、3、…,1985年 諾貝爾物理獎,1998年 諾貝爾物理獎,實驗曲線,物理知識,精品課件！,精品課件！,選擇進入下一節(jié)§8-0 教學基本要求§8-1 恒定電流§8-2 磁感應強度§8-3 畢奧-薩伐爾定律§8-4 穩(wěn)恒磁場的高斯定理與安培環(huán)路定理§8-5 帶電粒子在電場和磁場中的運動§8-6 磁場對載流