普通物理學(xué)(程守洙 江之永主編) 8

1、8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動IP*一一 畢奧畢奧薩伐爾定律薩伐爾定律(電流元在空間產(chǎn)生的磁場電流元在空間產(chǎn)生的磁場)30d4drrlIB真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 270AN104lIdBd30d4drrlIBB 任意載流導(dǎo)線在點(diǎn)任意載流導(dǎo)線在點(diǎn) P 處的磁感強(qiáng)度處的磁感強(qiáng)度磁感強(qiáng)度疊加原理磁感強(qiáng)度疊加原理rlIdrBd上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動12PCDyxzoI）（2100coscos4rIB無限長無限長載流長直導(dǎo)線的磁場載流長直導(dǎo)線的磁場.021002rIBIBrIB20IBX X上學(xué)期知識回

2、顧上學(xué)期知識回顧8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動Ix20d4drlIBrBdBBlIdpRo*圓形載流導(dǎo)線的磁場圓形載流導(dǎo)線的磁場.2322202）（RxIRB上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動op1xx2x+ + + + + + + + +21載流直螺線管的磁場載流直螺線管的磁場120coscos2nIB無限長的無限長的螺線管螺線管 nIB0上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動二、二、 磁磁 感感 線線 規(guī)定規(guī)定：曲線上每一點(diǎn)的：曲線上每一點(diǎn)的切線

3、方向切線方向就是該點(diǎn)的磁感就是該點(diǎn)的磁感強(qiáng)度強(qiáng)度 B 的方向的方向，曲線的，曲線的疏密程度疏密程度表示該點(diǎn)的磁感強(qiáng)表示該點(diǎn)的磁感強(qiáng)度度 B 的大小的大小.SNB磁場中某點(diǎn)處垂直磁場中某點(diǎn)處垂直 矢量矢量的單位面積上通過的磁感的單位面積上通過的磁感線數(shù)目等于該點(diǎn)線數(shù)目等于該點(diǎn) 的數(shù)值的數(shù)值.BB電流磁感應(yīng)線與電流套連與電流套連閉合曲線閉合曲線( (磁單極子不存在磁單極子不存在) )互不相交互不相交方向與電流成右手螺旋關(guān)系方向與電流成右手螺旋關(guān)系磁感磁感線的線的特點(diǎn)特點(diǎn)上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧I直線電流的直線電流的 磁感線磁感線I圓電流的圓電流的 磁感線磁感線II通電螺線管的磁感線通電螺線管的

4、磁感線8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動+上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動sSdBeBSdBneSSSBSdcosdBe 閉合曲面的磁通量閉合曲面的磁通量SdBdeBSdBS 通過電場中某一個面的通過電場中某一個面的磁感磁感線數(shù)叫做通過這個面的線數(shù)叫做通過這個面的磁通量磁通量. .上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧三三 磁通量磁通量8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動0dSSB 穿過任意閉合曲面穿過任意閉合曲面S S的總磁通必然為零，這就的總磁通必然為零，這就是磁場的是磁場的高斯定理

5、高斯定理。說明磁場是說明磁場是無源場無源場。四、磁場的高斯定理四、磁場的高斯定理 由磁感應(yīng)線的閉合性可知，對任意閉合曲面，由磁感應(yīng)線的閉合性可知，對任意閉合曲面，穿入的磁感應(yīng)線條數(shù)與穿出的磁感應(yīng)線條數(shù)相同，穿入的磁感應(yīng)線條數(shù)與穿出的磁感應(yīng)線條數(shù)相同，因此，通過任何閉合曲面的磁通量為零。因此，通過任何閉合曲面的磁通量為零。磁場的高斯定理磁場的高斯定理上學(xué)期知識回顧上學(xué)期知識回顧8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動五、五、 安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理oIRlBld安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理niiIlB10d8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動xy

6、zo一一 帶電粒子在電場和磁場中所受的力帶電粒子在電場和磁場中所受的力磁場力磁場力（洛侖茲力洛侖茲力）BqF vm+qvBmFsinqvBF 大?。捍笮。?方向：方向： 的方向的方向 Bv（右手螺旋定則）（右手螺旋定則）帶電粒子所受洛倫茲力總是和帶電粒子運(yùn)動方向垂直，帶電粒子所受洛倫茲力總是和帶電粒子運(yùn)動方向垂直，故它只能改變帶電粒子運(yùn)動方向，不改變速度大小故它只能改變帶電粒子運(yùn)動方向，不改變速度大小，即洛倫茲力不作功。即洛倫茲力不作功。8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動二二 帶電粒子在磁場中運(yùn)動帶電粒子在磁場中運(yùn)動1. 1. 當(dāng)帶電粒子沿磁場方向運(yùn)動時，當(dāng)帶電粒

7、子沿磁場方向運(yùn)動時，V/B:V/B:粒子作勻速直線運(yùn)動。粒子作勻速直線運(yùn)動。0sinqvBF0v8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動RmBq200vvqBmR0vB0vqBmRT220vmqBTf212 . V B, 粒子作回旋頻率粒子作回旋頻率回旋半徑回旋半徑回旋頻率回旋頻率8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動vvv/sinvv 與與 不垂直不垂直Bvcosvv/qBmT2qBmRvqBmd2cosvTv/螺距螺距3 3、 如果如果 與與 斜交成斜交成 角，角，粒子作螺旋運(yùn)動粒子作螺旋運(yùn)動B0v8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒

8、子在電場和磁場中的運(yùn)動F2F1BvFBv線圈線圈三、帶電粒子在非均勻磁場中運(yùn)動三、帶電粒子在非均勻磁場中運(yùn)動8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動（1 1）磁約束裝置（磁鏡）磁約束裝置（磁鏡）8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動當(dāng)來自外層空間的大量粒子當(dāng)來自外層空間的大量粒子( (宇宙射線宇宙射線) )進(jìn)入地球磁進(jìn)入地球磁場范圍場范圍, ,粒子將繞地磁感應(yīng)線作螺旋運(yùn)動粒子將繞地磁感應(yīng)線作螺旋運(yùn)動, ,因?yàn)樵诮驗(yàn)樵诮鼉蓸O處地磁場增強(qiáng)兩極處地磁場增強(qiáng), ,作螺旋運(yùn)動的粒子將被折回作螺旋運(yùn)動的粒子將被折回, ,結(jié)結(jié)果果粒子在沿磁感應(yīng)線的區(qū)域內(nèi)來

9、回振蕩粒子在沿磁感應(yīng)線的區(qū)域內(nèi)來回振蕩, ,形成一個形成一個帶電粒子區(qū)域帶電粒子區(qū)域, ,稱稱范艾侖輻射帶范艾侖輻射帶, ,此帶相對地球作對此帶相對地球作對稱分布。稱分布。（2 2）范艾侖輻射帶）范艾侖輻射帶：宇宙中的磁約束現(xiàn)象：宇宙中的磁約束現(xiàn)象8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動范艾侖輻射帶的形成示意圖范艾侖輻射帶的形成示意圖8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動包圍地包圍地球外圍球外圍的范艾的范艾侖輻射侖輻射帶帶19581958年人造衛(wèi)星的探測發(fā)現(xiàn)年人造衛(wèi)星的探測發(fā)現(xiàn),范艾侖輻射帶有兩層范艾侖輻射帶有兩層, ,內(nèi)層在距地面內(nèi)層在距地面

10、800-4000Km800-4000Km處處, ,外層在外層在60000Km60000Km處。處。美麗的美麗的極光極光8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動極光的產(chǎn)生是由于有時太陽黑子活動，太陽極光的產(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(fēng)，在地磁噴射的高能帶電粒子流形成的太陽風(fēng)，在地磁感應(yīng)線的引導(dǎo)下在地球南北極附近進(jìn)入大氣層感應(yīng)線的引導(dǎo)下在地球南北極附近進(jìn)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。麗的北極光。8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動 帶有電荷量帶

11、有電荷量 的粒子在靜電場的粒子在靜電場 和磁場和磁場 中中以速度以速度 運(yùn)動時受到的作用力將是：運(yùn)動時受到的作用力將是：EqBvBvqEqF1.8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動 應(yīng)用應(yīng)用 電子光學(xué)電子光學(xué) , 電子顯微鏡等電子顯微鏡等 .2. 磁聚焦磁聚焦 在均勻磁場中某點(diǎn)在均勻磁場中某點(diǎn) A 發(fā)射一束初速相差發(fā)射一束初速相差不大的帶電粒子不大的帶電粒子, 它們的它們的 與與 之間的夾角之間的夾角 不不盡相同盡相同 , 但都較小但都較小, 這些粒子沿半徑不同的螺旋線這些粒子沿半徑不同的螺旋線運(yùn)動運(yùn)動, 因螺距近似相等因螺距近似相等, 都相交于屏上同一點(diǎn)都相交于屏

12、上同一點(diǎn), 此現(xiàn)此現(xiàn)象稱之為磁聚焦象稱之為磁聚焦 .0vB8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動B顯象管中電子的磁聚焦裝置示意圖顯象管中電子的磁聚焦裝置示意圖8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動1D2D真空室 接高頻電源 離子源 D型盒引出離子束 D形盒形盒電磁鐵電磁鐵電磁鐵電磁鐵離子源回旋加速器是核物理、高能物理實(shí)驗(yàn)中用來獲得回旋加速器是核物理、高能物理實(shí)驗(yàn)中用來獲得高能帶電粒子的設(shè)備，下圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。高能帶電粒子的設(shè)備，下圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。3 . 回旋加速器回旋加速器8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動m

13、qBf2mqBR0v2k21vmE 頻率與半徑無關(guān)頻率與半徑無關(guān)到半圓盒邊緣時到半圓盒邊緣時mRBqE22022k回旋加速器原理圖回旋加速器原理圖NSB2D1DON8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動3 . 回旋加速器回旋加速器 1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室型室. 此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，的能量，為此為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎.8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動 我國于我國于1994年建年建成的第一成的第一

14、臺強(qiáng)流質(zhì)臺強(qiáng)流質(zhì)子加速器子加速器 ，可產(chǎn)生數(shù)可產(chǎn)生數(shù)十種中短十種中短壽命放射壽命放射性同位素性同位素 .8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動4 . 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀RmBq2vvvRBqm7072 73 74 76鍺的質(zhì)譜鍺的質(zhì)譜.1p2p+-2s3s1s速度選擇器速度選擇器照相底片照相底片質(zhì)譜儀的示意圖質(zhì)譜儀的示意圖8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動5 . 磁約束磁約束受控核聚變受控核聚變受控聚變能是在等離子體狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的什么是等離子體Whats Plasma？8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動固體 冰液體

15、水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動In solids, liquids, and gases electrons are normally bound to and orbit around the nucleus of an atom8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動In a plasma, the electrons are stripped away from the nucleus. 8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動等離子是由大量的

16、數(shù)目相同的正、負(fù)帶電粒等離子是由大量的數(shù)目相同的正、負(fù)帶電粒子構(gòu)成的準(zhǔn)中性系統(tǒng)。子構(gòu)成的準(zhǔn)中性系統(tǒng)。8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動In the universe, plasma is the most abundant state of matter（99.9%) 8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動In fusion, two light atoms such as hydrogen are brought together (or fused) to form a

17、new element, thereby releasing energy8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動Only tremendous heat and pressure will cause the nuclei to fuse. Such temperatures and pressures occur naturally in stars and are caused by gravitational forces+Pulling nuclear force +8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動The fusion of t

18、wo hydrogen (H) atoms requires much higher temperatures than do mixtures of its two isotopes deuterium (D) and tritium (T)8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動托卡馬克裝置原理示意圖托卡馬克裝置原理示意圖8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動國際熱核聚變實(shí)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)裝置(ITER)8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動托卡馬克裝置環(huán)型容器內(nèi)部實(shí)景托卡馬克裝置環(huán)型容器內(nèi)部實(shí)景1879年霍

19、耳年霍耳（A.H.Hall）發(fā)現(xiàn)：在勻強(qiáng)發(fā)現(xiàn)：在勻強(qiáng)磁場中通電的金屬導(dǎo)體板的上下表面出現(xiàn)橫磁場中通電的金屬導(dǎo)體板的上下表面出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱為向電勢差，這一現(xiàn)象稱為BI+ + + + + + +ab實(shí)驗(yàn)指出：實(shí)驗(yàn)指出：BbUHI=BbUHIRHRH霍耳系數(shù)霍耳系數(shù)，它是和材料的性質(zhì)有關(guān)，它是和材料的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)的常數(shù)UH8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動霍 耳 效 應(yīng)8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動dBIbHUdIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓BqqEdHvBEdHvBbUdHvnqdIBUHnqR1H霍耳霍耳系數(shù)系數(shù)+qdv+ + + + + - - - - -eFmFbdqndvSqnIdv8 5 帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動I+ + +- - -P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+-HUBmFdv霍耳效應(yīng)的應(yīng)用霍耳效應(yīng)的應(yīng)用2）測量磁場測量磁場dIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓1）判斷半導(dǎo)體的類型判斷半導(dǎo)體的類型mF+ +