磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作用力洛侖茲力實(shí)用教案

1、1一 、洛侖茲力 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)(yndng)電荷施以的磁場(chǎng)力是洛侖茲力。mfqB點(diǎn)電荷運(yùn)動(dòng)(yndng)速度點(diǎn)電荷處于場(chǎng)點(diǎn)處的磁感強(qiáng)度點(diǎn)電荷電量BqBqmf洛侖茲力大小(dxio)為sinmfq Bmaxfq Bmf洛侖茲力對(duì)施力點(diǎn)電荷不作功第1頁(yè)/共20頁(yè)第一頁(yè)，共21頁(yè)。2 二、帶電粒子在磁場(chǎng)(cchng)中運(yùn)動(dòng) 1. 帶電粒子在均勻磁場(chǎng)(cchng)中運(yùn)動(dòng)設(shè)均勻磁場(chǎng)(cchng)磁感應(yīng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)方向平行于磁感應(yīng)強(qiáng)度q0粒子不受力粒子做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)2）粒子運(yùn)動(dòng)方向垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度0mfqB粒子做勻速圓周

2、運(yùn)動(dòng)。Bq0mfR第2頁(yè)/共20頁(yè)第二頁(yè)，共21頁(yè)。3l 圓周(yunzhu)半徑回旋半徑200qBmR得0mRqBq0BmfR半徑與垂直(chuzh)磁場(chǎng)的速度成正比。l 粒子運(yùn)動(dòng)(yndng)的周期022RmTqB表明：同種粒子（m/q相同），不管其垂直磁場(chǎng)方向的速度如何，在同樣均勻磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同。與速度無(wú)關(guān)l 粒子運(yùn)動(dòng)的磁回旋頻率mqBm由第3頁(yè)/共20頁(yè)第三頁(yè)，共21頁(yè)。4 粒子在垂直磁場(chǎng)(cchng)的平面里做圓周運(yùn)動(dòng)同時(shí)又沿磁場(chǎng)(cchng)方向勻速運(yùn)動(dòng) 粒子做螺旋運(yùn)動(dòng)3）粒子運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度之間夾角為 。0

3、000000sin00cosBq0mf第4頁(yè)/共20頁(yè)第四頁(yè)，共21頁(yè)。5R 螺旋(luxun)半徑00sinmmRqBqB0coshT02cosmqB 螺距(luj)B0/0vh0第5頁(yè)/共20頁(yè)第五頁(yè)，共21頁(yè)。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(dòng)能幾乎(jh)相同，準(zhǔn)直裝置保證各電子動(dòng)量幾乎(jh)平行于磁感線(xiàn)。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(guò)一個(gè)周期，電子束的各電子再會(huì)聚。第6頁(yè)/共20頁(yè)第六頁(yè)，共21頁(yè)。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(xiàn)線(xiàn)

4、efmfFffemqEqBv當(dāng)0F/E B各類(lèi)粒子(lz)從狹縫(xi fn)穿出第7頁(yè)/共20頁(yè)第七頁(yè)，共21頁(yè)。82.帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)(cchng)中運(yùn)動(dòng)在非均勻磁場(chǎng)(cchng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)的特征。1）向磁場(chǎng)較強(qiáng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)指向磁場(chǎng)較弱方向的分力，從而阻止(zzh)粒子向磁場(chǎng)較強(qiáng)方向的運(yùn)動(dòng)，可使粒子沿磁場(chǎng)方向的速度減小到零 從而反向運(yùn)動(dòng)。第8頁(yè)/共20頁(yè)第八頁(yè)，共21頁(yè)。91）磁約束(yush) 在非均勻(jnyn)磁場(chǎng)中，速度方向與磁場(chǎng)不同的帶電粒子，也要作螺旋運(yùn)動(dòng)，但半徑和螺距

5、都將不斷發(fā)生變化橫向(hn xin)磁約束:強(qiáng)磁場(chǎng)可約束帶電粒子在一根磁場(chǎng)線(xiàn)附近。 減少粒子的縱向前進(jìn)速度，使粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生“反射” 。縱向磁約束:/fBf/ffe磁鏡線(xiàn)圈線(xiàn)圈B高溫等離子體磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用能約束運(yùn)動(dòng)帶電粒子的磁場(chǎng)分布稱(chēng)為磁鏡約束 磁瓶。第9頁(yè)/共20頁(yè)第九頁(yè)，共21頁(yè)。10太陽(yáng)風(fēng)與磁層第10頁(yè)/共20頁(yè)第十頁(yè)，共21頁(yè)。11密度(cm-3)溫度(度)太陽(yáng)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(lèi)居住環(huán)境慣性聚變星 云太陽(yáng)風(fēng)等離子體參數(shù)(cnsh)空間第11頁(yè)/共20頁(yè)第十一頁(yè)，共21頁(yè)。122）極光(jgung)由于地磁場(chǎng)俘獲(fh

6、u)帶電粒子而出現(xiàn)的現(xiàn)象。第12頁(yè)/共20頁(yè)第十二頁(yè)，共21頁(yè)。13 在地磁兩極附近，由于磁感線(xiàn)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(yè)/共20頁(yè)第十三頁(yè)，共21頁(yè)。143）磁流體船B電流BF海水進(jìn)水出水發(fā)動(dòng)機(jī)接發(fā)電機(jī)IF電極第14頁(yè)/共20頁(yè)第十四頁(yè)，共21頁(yè)。15三、 霍爾效應(yīng)1. 霍爾效應(yīng)在磁場(chǎng)中，載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體上出現(xiàn)橫向(hn xin)電勢(shì)差的現(xiàn)象。2. 霍爾電壓 霍爾效應(yīng)中產(chǎn)生的電勢(shì)差。如上圖中導(dǎo)體上下兩端(lin dun)面出現(xiàn)電勢(shì)差。1879年美國(guó)物理學(xué)家

7、霍爾發(fā)現(xiàn)第15頁(yè)/共20頁(yè)第十五頁(yè)，共21頁(yè)。163. 形成(xngchng)機(jī)制以載流子為正電荷為例說(shuō)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(fù)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(chǎng)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(chǎng)力平衡 時(shí)，載流子不再漂移，上下兩端形成電勢(shì)差 。HV第16頁(yè)/共20頁(yè)第十六頁(yè)，共21頁(yè)。17由于(yuy)電荷的積累，形成靜電場(chǎng)霍爾電場(chǎng)eHFqEHE電荷(dinh)受電力電勢(shì)差為HHVE bBbIvBbdfLFeVHEmfB

8、efEHEB0)(BqEqv當(dāng)達(dá)到(d do)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：4. 霍爾系數(shù) 霍爾電阻電流強(qiáng)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(yè)/共20頁(yè)第十七頁(yè)，共21頁(yè)。18討論1）霍爾效應(yīng)(xioyng)的應(yīng)用由式HIBVBbnqdl 可測(cè)載流子的正負(fù)(zhn f)和濃度；l 可測(cè)磁感強(qiáng)度 。B2）量子霍爾效應(yīng) 1980年 德國(guó)物理學(xué)家克里青發(fā)現(xiàn)(fxin)：霍爾電阻與磁場(chǎng)成非線(xiàn)性關(guān)系，這一效應(yīng)叫量子霍爾效應(yīng)。在極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)下1,2,3,KHRRnn，225812.80KhRe克里青（Klitzing）常量1990年定義RK 的測(cè)量準(zhǔn)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(lèi)型 霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)第18頁(yè)/共20頁(yè)第十八頁(yè)，共21頁(yè)。19B/Tn = 4n = 3n = 21.39K，25.52A51015量子(lingz)霍爾效應(yīng)第19頁(yè)/共20頁(yè)第十九頁(yè)，共21頁(yè)。第14章 磁力(cl)20感謝您的觀(guān)看(gunkn)！第20頁(yè)/共20頁(yè)第二十頁(yè)，共21頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)1。圓周半徑回旋半徑。粒子做螺旋運(yùn)動(dòng)。橫向磁約束:強(qiáng)磁場(chǎng)可約束帶電粒子在一根磁場(chǎng)線(xiàn)附近。磁鏡效應(yīng)的典型應(yīng)用(yngyng)。 磁瓶。第10頁(yè)/共