磁場對運動電荷作用力洛侖茲力實用教案

1、1一 、洛侖茲力 磁場對運動(yndng)電荷施以的磁場力是洛侖茲力。mfqB點電荷運動(yndng)速度點電荷處于場點處的磁感強度點電荷電量BqBqmf洛侖茲力大小(dxio)為sinmfq Bmaxfq Bmf洛侖茲力對施力點電荷不作功第1頁/共20頁第一頁，共21頁。2 二、帶電粒子在磁場(cchng)中運動 1. 帶電粒子在均勻磁場(cchng)中運動設(shè)均勻磁場(cchng)磁感應(yīng)強度為 ，B帶電粒子質(zhì)量(zhling)為m ，電量為q，設(shè)粒子(lz)初速度為 。0B1）粒子運動方向平行于磁感應(yīng)強度q0粒子不受力粒子做勻速直線運動2）粒子運動方向垂直于磁感應(yīng)強度0mfqB粒子做勻速圓周

2、運動。Bq0mfR第2頁/共20頁第二頁，共21頁。3l 圓周(yunzhu)半徑回旋半徑200qBmR得0mRqBq0BmfR半徑與垂直(chuzh)磁場的速度成正比。l 粒子運動(yndng)的周期022RmTqB表明：同種粒子（m/q相同），不管其垂直磁場方向的速度如何，在同樣均勻磁場中圓周運動的周期相同。與速度無關(guān)l 粒子運動的磁回旋頻率mqBm由第3頁/共20頁第三頁，共21頁。4 粒子在垂直磁場(cchng)的平面里做圓周運動同時又沿磁場(cchng)方向勻速運動 粒子做螺旋運動3）粒子運動速度方向(fngxing)任意 將上述兩種情況綜合。 設(shè)粒子初速度與磁感強度之間夾角為 。0

3、000000sin00cosBq0mf第4頁/共20頁第四頁，共21頁。5R 螺旋(luxun)半徑00sinmmRqBqB0coshT02cosmqB 螺距(luj)B0/0vh0第5頁/共20頁第五頁，共21頁。6應(yīng)用 1）電真空器件中的磁聚焦電子槍發(fā)射出一束電子，這束電子動能幾乎(jh)相同，準直裝置保證各電子動量幾乎(jh)平行于磁感線。由于發(fā)散角小，所以(suy)各電子00各螺距(luj)相同02mhqBB粒子源A接收器A每經(jīng)過一個周期，電子束的各電子再會聚。第6頁/共20頁第六頁，共21頁。72）質(zhì)譜儀mRqB同位素分離(fnl)Rm+-vEFefLBRBq膠膠片片屏屏質(zhì)質(zhì)譜譜線線

4、efmfFffemqEqBv當(dāng)0F/E B各類粒子(lz)從狹縫(xi fn)穿出第7頁/共20頁第七頁，共21頁。82.帶電粒子在非均勻磁場(cchng)中運動在非均勻磁場(cchng)中帶電粒子運動的特征。1）向磁場較強方向運動時，螺旋(luxun)半徑不斷減小1mRRBqB即根據(jù)是：Bf/ffe磁鏡2）粒子受到的洛侖茲力 恒有一個指向磁場較弱方向的分力，從而阻止(zzh)粒子向磁場較強方向的運動，可使粒子沿磁場方向的速度減小到零 從而反向運動。第8頁/共20頁第八頁，共21頁。91）磁約束(yush) 在非均勻(jnyn)磁場中，速度方向與磁場不同的帶電粒子，也要作螺旋運動，但半徑和螺距

5、都將不斷發(fā)生變化橫向(hn xin)磁約束:強磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近。 減少粒子的縱向前進速度，使粒子運動發(fā)生“反射” ?？v向磁約束:/fBf/ffe磁鏡線圈線圈B高溫等離子體磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用能約束運動帶電粒子的磁場分布稱為磁鏡約束 磁瓶。第9頁/共20頁第九頁，共21頁。10太陽風(fēng)與磁層第10頁/共20頁第十頁，共21頁。11密度(cm-3)溫度(度)太陽核心 磁約束聚 變霓虹燈 北極光 火 焰閃電日冕 氫彈星際空間熒光氣體液 體固 體人類居住環(huán)境慣性聚變星 云太陽風(fēng)等離子體參數(shù)(cnsh)空間第11頁/共20頁第十一頁，共21頁。122）極光(jgung)由于地磁場俘獲(fh

6、u)帶電粒子而出現(xiàn)的現(xiàn)象。第12頁/共20頁第十二頁，共21頁。13 在地磁兩極附近，由于磁感線與地面近似垂直，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(fsh)就形成了極光。絢麗多彩(xun l du ci)的極光第13頁/共20頁第十三頁，共21頁。143）磁流體船B電流BF海水進水出水發(fā)動機接發(fā)電機IF電極第14頁/共20頁第十四頁，共21頁。15三、 霍爾效應(yīng)1. 霍爾效應(yīng)在磁場中，載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體上出現(xiàn)橫向(hn xin)電勢差的現(xiàn)象。2. 霍爾電壓 霍爾效應(yīng)中產(chǎn)生的電勢差。如上圖中導(dǎo)體上下兩端(lin dun)面出現(xiàn)電勢差。1879年美國物理學(xué)家

7、霍爾發(fā)現(xiàn)第15頁/共20頁第十五頁，共21頁。163. 形成(xngchng)機制以載流子為正電荷為例說明(shumng),設(shè)載流子速度(sd)為 。fq B 上端積累了正電荷， 下端積累了負電荷。l 洛侖茲力使載流子橫向漂移, 出現(xiàn)電荷積累。BIvBbdfLFeVHELfqBvl 橫向電場力:l 洛倫茲力受力分析: Eqfe(方向向上)(方向向下)l 洛侖茲力與電場力平衡 時，載流子不再漂移，上下兩端形成電勢差 。HV第16頁/共20頁第十六頁，共21頁。17由于(yuy)電荷的積累，形成靜電場霍爾電場eHFqEHE電荷(dinh)受電力電勢差為HHVE bBbIvBbdfLFeVHEmfB

8、efEHEB0)(BqEqv當(dāng)達到(d do)動態(tài)平衡時：4. 霍爾系數(shù) 霍爾電阻電流強度Inqdbn單位體積中的粒子數(shù)InqdbHIBVBbnqd霍爾系數(shù)1/nq霍爾電阻HHVBRBInqd第17頁/共20頁第十七頁，共21頁。18討論1）霍爾效應(yīng)(xioyng)的應(yīng)用由式HIBVBbnqdl 可測載流子的正負(zhn f)和濃度；l 可測磁感強度 。B2）量子霍爾效應(yīng) 1980年 德國物理學(xué)家克里青發(fā)現(xiàn)(fxin)：霍爾電阻與磁場成非線性關(guān)系，這一效應(yīng)叫量子霍爾效應(yīng)。在極低溫、強磁場下1,2,3,KHRRnn，225812.80KhRe克里青（Klitzing）常量1990年定義RK 的測量準確到10 -10 125812.80KR研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)（濃度隨雜質(zhì)、溫度等變化）l 區(qū)分半導(dǎo)體材料類型 霍爾系數(shù)的正負與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)第18頁/共20頁第十八頁，共21頁。19B/Tn = 4n = 3n = 21.39K，25.52A51015量子(lingz)霍爾效應(yīng)第19頁/共20頁第十九頁，共21頁。第14章 磁力(cl)20感謝您的觀看(gunkn)！第20頁/共20頁第二十頁，共21頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)1。圓周半徑回旋半徑。粒子做螺旋運動。橫向磁約束:強磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近。磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用(yngyng)。 磁瓶。第10頁/共