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1、大 學(xué) 物 理 學(xué) 電 子 教 案武 警 學(xué) 院 教 學(xué) 課 件洛侖茲力 復(fù) 習(xí)運動電荷的磁場34 r rvqB o 高斯定律 S SdB 0安培環(huán)路定理 i ioL IldB 11-5 帶電粒子在電場和磁場中的運動一、帶電粒子在電場和磁場中所受的力電場力EqFe 磁場力BvqF m 洛侖茲力的方向垂直于運動電荷的速度和磁感應(yīng)強度所組成的平面，且符合右手螺旋定則。帶電粒子在電場和磁場中所受的力BvqEqF q BvFm 洛侖茲(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928) 1895年，洛侖茲根據(jù)物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的假說，創(chuàng)立了經(jīng)典電子論。洛侖茲的電磁場理論研究成果，在現(xiàn)代物理中

2、占有重要地位。洛侖茲力是洛侖茲在研究電子在磁場中所受的力的實驗中確立起來的。 洛侖茲還預(yù)言了正常的塞曼效益，即磁場中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場的影響而分裂成多條的現(xiàn)象中的某種特殊現(xiàn)象。 洛侖茲的理論是從經(jīng)典物理到相對論物理的重要橋梁，他的理論構(gòu)成了相對論的重要基礎(chǔ)。洛侖茲對統(tǒng)計物理學(xué)也 有貢獻(xiàn)。荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎金。 2、速度方向與磁場方向垂直洛侖茲力的大小Bqvf 0方向：垂直與速度的和磁場的方向RvmBqv 200 回旋半徑qBmvR 0回旋周期qBmqBmvvvRT 222 00 回旋頻率mqBTf 21 圓

3、周運動+ q, m 0vfR 二、帶電粒子在磁場中的運動1、速度方向與磁場方向平行帶電粒子受到的洛侖茲力為零，粒子作直線運動。 3、速度方向與磁場方向有夾角把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量 sincos/ vv vv平行于磁場的方向： F/=0 ， 勻速直線運動垂直于磁場的方向： F =qvBsin，勻速圓周運動粒子作螺旋線向前運動，軌跡是螺旋線?；匦霃絪inqBmvqBmvR 回旋周期qBmv RT 22 螺距粒子回轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離 cos 2/ vqBmTvd h B B螺距d與v無關(guān)，只與v/成正比，若各粒子的v/相同，則其螺距是相同的，每轉(zhuǎn) 一周粒子都相交于一點，利用

4、這個原理，可實現(xiàn)磁聚焦。 *電子的反粒子 電子偶正電子：1930年英國物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言了正電子的存在，1932年，美國物理學(xué)家安德森在分析宇宙射線穿過位于云霧室的鉛塊后的帶電粒子的照片時，發(fā)現(xiàn)了正電子。 B原理：在高能粒子物理中，常用帶電粒子在云霧室中的軌跡來觀察和區(qū)分粒子的性質(zhì)。電子偶：理論和實驗都表明，正電子總是伴隨著電子一起出現(xiàn)的，猶如成對成雙的配偶，故稱之為電子正電子偶，簡稱電子偶或電子對。 *帶電粒子在非均勻磁場中的運動帶電粒子進(jìn)入軸對稱會聚磁場，由于磁場的不均勻，洛侖茲力的大小要變化，所以不是勻速圓周運動。且半徑逐漸變小。xBy使沿磁場的運動被抑，而被迫反轉(zhuǎn)。象被“反射”

5、回來一樣磁鏡。* 應(yīng)用：磁約束用于受控 熱核反應(yīng)中 地磁場，兩極強，中間弱，能夠捕獲來自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來回振蕩。1958年，探索者一號衛(wèi)星在外層空間發(fā)現(xiàn)被磁場俘獲的來自宇宙射線和太陽風(fēng)的質(zhì)子層和電子層Van Allen輻射帶 三、帶電粒子在電場和磁場中的運動舉例1、電子比荷（e /m）的測定引言：電子的電量和質(zhì)量是電子基本屬性，對電子的電量、質(zhì)量和兩者的比值(即比荷)的測定有重要的意義。1897年J.J. Thomson在卡文迪許實驗室測量電子比荷，為此1906年獲Nobel物理獎。實驗裝置原理加速電子經(jīng)過電場與磁場區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn) 1220 2 LLDyBEme y結(jié)論對于速度

6、不太大的電子1110 kgC10759.1 me 2、質(zhì)譜儀引言：是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學(xué)家與化學(xué)家阿斯頓于1919年創(chuàng)造，當(dāng)年發(fā)現(xiàn)了氯與汞的同位素，以后幾年又發(fā)現(xiàn)了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓于1922年獲諾貝爾化學(xué)獎。原理圖速度選擇器A B 3Sq vB E+ 1S2S從離子源出來的離子經(jīng)過S1、S2加速進(jìn)入電場和磁場空間，若粒子帶正電荷+q，則電荷所受的力有：洛侖茲力：qvB電場力 ： qE若粒子能進(jìn)入下面的磁場qvB=qE BEv 速度選擇器 若每個離子所帶電量相等，由譜線的位置可以確定同位素的質(zhì)量。由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對含

7、量。質(zhì)譜分析：帶電粒子 經(jīng)過速度選擇器后，進(jìn)入磁場B中做圓周運動，半徑R為A B 3Sq vB E+ 1S2SRvmBqv 2 vRBqm 鍺的質(zhì)譜 3、 回旋加速器美國物理學(xué)家勞倫斯于1934年研制成功第一臺加速器勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎。 結(jié)構(gòu)：密封在真空中的兩個金屬盒（D1和D2）放在電磁鐵兩極間的強大磁場中，兩盒間接有交流電源，它在縫隙里的交變電場用以加速帶電粒子。目的：用來獲得高能帶電粒子轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應(yīng)，研究原子核或其它粒子的性質(zhì)。原理：使帶電粒子在電場與磁場作用下，往復(fù)加速達(dá)到高能。 交變電場的周期恰好為回旋周期時粒子繞過半圈恰好電場反向，粒子又被加

8、速。因為回旋周期與半徑無關(guān)，所以粒子可被反復(fù)加速，至用致偏電極將其引出?；匦l率mqBf 2當(dāng)粒子到達(dá)半圓邊緣時，粒子的速率為（ R 0為最大半徑）mqBRv 0粒子動能mRBqmBqRmmvEk 22121 2022202 理論增大電磁鐵的截面，可以增大粒子的能量實際比較困難演示 蘭州重離子加速器北京正負(fù)電子對撞機合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器 4、霍耳效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳效應(yīng)。相應(yīng)的電勢差稱為霍耳電壓?，F(xiàn)象實驗規(guī)律在磁場不太強時，霍耳電壓與電流I和磁感應(yīng)強度B成正比，

9、而與導(dǎo)電板的厚度d 成反比 dBIRU HHI + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _+ + + + +- - - - -E B bd dbuH IB Hu B 假設(shè)載流子是負(fù)電荷，定向漂移速度為vd與電流反向，磁場中的洛侖茲力使載流子運動，形成霍耳電場。電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡，從而形成橫向電勢差。 dnqbdvI BqvqE dH dH BvEdH BvbUnqbdIvdnqdBIUHnqRH 1dBIRU HH霍耳系數(shù) B + + +HEdv If霍耳效應(yīng)的經(jīng)典解釋 HU B 霍耳效應(yīng)的應(yīng)用半導(dǎo)體的載流子濃度小于金屬電子的濃度，且容易受溫度、雜

10、質(zhì)的影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導(dǎo)體的重要方法之一。判定載流子類型測量載流子濃度測量磁感應(yīng)強度測量電流測量溫度1980年，德國物理學(xué)家克利青在研究低溫和強磁場下半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)U HB的曲線出現(xiàn)臺階，而不是線性關(guān)系量子霍耳效應(yīng)。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。后來又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)。分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)與分?jǐn)?shù)電荷的存在與否有關(guān)。優(yōu)點：無機械損耗，可以提高效率，缺點：尚存在技術(shù)問題有待解決。 +B+ + + HEdvf I B + + +HEdv If *磁流體發(fā)電氣體在3000K高溫下將發(fā)生電離，成為正、負(fù)離子，將高溫等離子氣體以1000m/s的速度進(jìn)入均勻磁場B中+ + + 高溫等離子氣B+ vmfmf vI 正電荷聚集在上板，負(fù)電荷聚集在下板，因而可向外供電。 小 結(jié)帶電粒子在磁場中所受的力BvqFm 帶電粒子在磁場中的運動速度方向與磁場方向平行直線運動速度方向與磁場方向垂直圓周運動速度方向與磁場方向有夾角螺旋運動速度選擇器霍耳效應(yīng)現(xiàn)象、規(guī)律、理論解釋和應(yīng)用 作業(yè)：思考題： P174 13，16，17，18習(xí) 題： P180 19，22，24，25預(yù) 習(xí)： 11-6，11-7