帶電粒子在電場磁場中的運動ppt課件

1、帶電粒子帶電粒子在電場、磁場中的運動在電場、磁場中的運動第第 五五 節(jié)節(jié)13.5.1 13.5.1 帶電粒子在電場、磁場中的運動帶電粒子在電場、磁場中的運動BvqEqdtvdmBvqEqfffme 1. 運動方程運動方程 2.帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動v0qFmBv0B(1)qBmvRTqBmvRRvmBqv 2200200 T=R2v=2 mqB螺距螺距 ：vvvBRv(2)B與與成成角角0R =m vqB=qBsinmv 0v= sinv0v= cosv0垂直磁場方向作圓周運動垂直磁場方向作圓周運動,平行平行于磁場方向作均速直線運動于磁場方向作均速直線運動.hT=v=qB

2、cosmv 02qBm2vR2TqBmvR + 受力受力f有關有關公式公式EqEqEq運動運動勻加速勻加速拋物線拋物線斜拋運動斜拋運動加速度加速度mEqmEqmEq勻速直線勻速直線勻速圓勻速圓周運動周運動螺旋螺旋運動運動mqvBmsinqBv 0qBmvRTqBmvRRvmBqv 2200200電場電場磁場磁場+ Bvq Bvq Bvq 0qBmvRTqBmvRRvmBqv 2200200T=R2v=2 mqBR =m vqB=qBsinmv 0hT=v=qBcosmv 02 21IdABvqf 13.5. 2 運用運用 1. 磁聚焦磁聚焦hB B一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，假設這些粒子沿磁場

3、一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，假設這些粒子沿磁場方向的分速度大小又一樣，它們有一樣的螺距，經(jīng)過方向的分速度大小又一樣，它們有一樣的螺距，經(jīng)過一個周期它們將重新會聚在另一點這種發(fā)散粒子束會一個周期它們將重新會聚在另一點這種發(fā)散粒子束會聚到一點的景象叫磁聚焦。聚到一點的景象叫磁聚焦。它廣泛運用于電真空器件中如電子顯微鏡中。它起了它廣泛運用于電真空器件中如電子顯微鏡中。它起了光學儀器中的透鏡類似的作用。光學儀器中的透鏡類似的作用。 U陰陰極極控制極控制極陽極陽極Bl調理調理B，使比值，使比值 l/v0 x為正整數(shù)為正整數(shù)n,即：即： l/v0 x n又由于：又由于：qBmT 2 qUmvx 20212

4、2228lBmnmq q/m=(1.758819620.00000053)1011 C/kg3.磁約束磁約束-帶電粒子在非均勻磁場中的運動帶電粒子在非均勻磁場中的運動一個帶電粒子進入軸對稱會聚磁場，如下圖一個帶電粒子進入軸對稱會聚磁場，如下圖,在在YZ平面內(nèi)做圓周運動。由于磁場的不均勻性，洛侖茲力的平面內(nèi)做圓周運動。由于磁場的不均勻性，洛侖茲力的大小要變化，所以帶電粒子在大小要變化，所以帶電粒子在YZ平面內(nèi)不是勻速圓周平面內(nèi)不是勻速圓周運動運動,半徑逐漸變小。半徑逐漸變小。帶電粒子的活動被束縛在一根磁感應線附近的小范圍帶電粒子的活動被束縛在一根磁感應線附近的小范圍內(nèi)內(nèi),也就是說帶電粒子盤旋軌道

5、的中心也就是說帶電粒子盤旋軌道的中心(引導中心引導中心)只能沿磁只能沿磁感應線作縱向挪動感應線作縱向挪動,而不能橫越它而不能橫越它.只需當粒子發(fā)生碰撞時只需當粒子發(fā)生碰撞時,引導中心才干由一根磁感應線跳到另一根磁感應線上引導中心才干由一根磁感應線跳到另一根磁感應線上.帶電粒子進入軸對稱的會聚磁場，它便被約束帶電粒子進入軸對稱的會聚磁場，它便被約束在一根磁力線附近的很小范圍內(nèi)，它只需縱向在一根磁力線附近的很小范圍內(nèi)，它只需縱向沿磁力線的運動，而無橫向跨越?；蛘哒f在橫沿磁力線的運動，而無橫向跨越?；蛘哒f在橫向輸運過程中它遭到很大的限制。向輸運過程中它遭到很大的限制。結論結論* 磁鏡磁鏡在受控熱核反

6、響中在受控熱核反響中,不僅要求引導中心遭到橫向約束不僅要求引導中心遭到橫向約束,也也希望有縱向約束希望有縱向約束,用磁鏡安裝能限制中心的縱向挪動用磁鏡安裝能限制中心的縱向挪動.實際可以證明實際可以證明,當兩端磁場足夠強時當兩端磁場足夠強時,粒子縱向運動被遏止粒子縱向運動被遏止,而沿反方向運動而沿反方向運動.這種運動方式好像光線遇鏡面反射一樣這種運動方式好像光線遇鏡面反射一樣.線圈線圈線圈線圈B等離子體等離子體磁磁 塞塞地磁場的磁感應線地磁場的磁感應線S北極北極N南極南極1958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),在距地面幾行公里和兩在距地面幾行公里和兩萬公里的高空萬公里的高空,分別存在內(nèi)

7、外兩個環(huán)繞地球的輻射帶分別存在內(nèi)外兩個環(huán)繞地球的輻射帶,現(xiàn)稱現(xiàn)稱之為范艾侖輻射帶輻射帶。之為范艾侖輻射帶輻射帶。范艾侖輻射帶范艾侖輻射帶(Van Allen belts)由于它具有較高的能量，曾在人造衛(wèi)星的發(fā)射等空由于它具有較高的能量，曾在人造衛(wèi)星的發(fā)射等空間科學中發(fā)現(xiàn)了它，并給予了必要的思索。間科學中發(fā)現(xiàn)了它，并給予了必要的思索。帶電粒子如宇宙射線的帶電粒子被地磁場捕獲，帶電粒子如宇宙射線的帶電粒子被地磁場捕獲，繞地磁感應線作螺旋線運動，在近兩極處地磁場加強，繞地磁感應線作螺旋線運動，在近兩極處地磁場加強，作螺旋運動的粒子被折回，結果沿磁力線來回振蕩構成作螺旋運動的粒子被折回，結果沿磁力線來

8、回振蕩構成范范阿侖輻射帶。阿侖輻射帶。當太陽黑子活動引起空間磁場的變化，使粒子在兩極當太陽黑子活動引起空間磁場的變化，使粒子在兩極處的磁力線引導下，在兩極附近進入大氣層，能引起愉快處的磁力線引導下，在兩極附近進入大氣層，能引起愉快的北極光。的北極光。范艾侖范艾侖(J.A.Van Allen)輻射帶輻射帶 宇宙帶電粒子被地球磁場俘獲并在艾侖宇宙帶電粒子被地球磁場俘獲并在艾侖北極光北極光地軸地軸B增大SN北極北極南極南極帶內(nèi)作螺旋式振蕩運動。帶內(nèi)作螺旋式振蕩運動。北北 極極 光光NSD1D2獲得高能帶電粒子的儀器獲得高能帶電粒子的儀器磁鐵磁鐵N,S -中間強勻磁場中間強勻磁場-常量常量D1; D2

9、 - D型盒型盒-R D1,D2 縫隙縫隙 - 交變電場交變電場E EB 中心中心-離子源離子源縫縫 2D1D q轉方向轉方向 E加速加速qq轉方向轉方向 常常量量qBmT 21縫中時間：縫中時間：T121 振蕩頻率：振蕩頻率：E）（qBmvRmqBRvMM 最大速度：最大速度：mRBqmvMM22221221 最大能量：最大能量：v qo D1D2E密封在真空中的兩個金屬盒密封在真空中的兩個金屬盒D1和和D2放在電磁鐵放在電磁鐵兩極間的強大磁場中，如下圖兩盒之間有一窄縫，兩極間的強大磁場中，如下圖兩盒之間有一窄縫，中心附近放有離子源。兩盒間接有交流電源，它在中心附近放有離子源。兩盒間接有交流

10、電源，它在縫隙里的交變電場用以加速帶電粒子。縫隙里的交變電場用以加速帶電粒子。mqBRV maxR為盒的最大半徑。為盒的最大半徑。qBmT2交變電場的周期恰好為盤旋一周的周期時即粒子繞交變電場的周期恰好為盤旋一周的周期時即粒子繞過半圈恰好電場反向，粒子又被加速。由于盤旋周過半圈恰好電場反向，粒子又被加速。由于盤旋周期與半徑無關，所以可被反復加速，至用致偏電極期與半徑無關，所以可被反復加速，至用致偏電極將其引出。將其引出。帶電粒子束帶電粒子束N線圈線圈S鐵鐵芯芯接振蕩器接振蕩器電子盤旋加速器電子盤旋加速器環(huán)形環(huán)形真空室真空室盤旋加速器真空室表示圖束流線束流線高壓高壓電源電源真空泵真空泵丈量電容丈

11、量電容離子源離子源束流束流探測器探測器D形形電極電極真空室真空室 靜電靜電偏轉板偏轉板微調微調電容電容四極四極透鏡透鏡 束流束流探測器探測器E.O. 勞倫斯 (1901-1957) 設計的 世界上第一臺盤旋加速器中國第一臺盤旋加速器 中國科學院高能物理研討所中國科學院高能物理研討所 90Mev加速器加速器狹縫狹縫偏轉板偏轉板照相底片照相底片離子源離子源.+ BR勻強磁場勻強磁場粒子徑跡粒子徑跡速度選擇器速度選擇器狹縫狹縫偏轉板偏轉板照相底片照相底片離子源離子源.+ BR勻強磁場勻強磁場粒子徑跡粒子徑跡速度選擇器速度選擇器經(jīng)過速度選擇器經(jīng)過速度選擇器后粒子的速度后粒子的速度在洛倫茲力作用下粒子在

12、在洛倫茲力作用下粒子在勻強磁場作圓周運動時勻強磁場作圓周運動時E=Bv(1)BRmqv=(2)RBEmqB由式由式(1)、(2)得：得：Rm即：即：利用質譜儀可以測出利用質譜儀可以測出元素中個同位素的含量元素中個同位素的含量磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電MHD(Magnetohydrodynamics)磁流體發(fā)電原理圖磁流體發(fā)電原理圖磁體磁體磁力線方向磁力線方向高溫氣體高溫氣體熄滅器熄滅器SN磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電效率可達效率可達55%實驗指出：實驗指出：1879年霍耳發(fā)現(xiàn)年霍耳發(fā)現(xiàn):在勻強磁場中通電的金屬導體的上下在勻強磁場中通電的金屬導體的上下外表出現(xiàn)橫向電勢差，這一景象稱為霍耳效應。外表出現(xiàn)橫向電勢

13、差，這一景象稱為霍耳效應。BI+ + + + + + +abUH霍耳效應霍耳效應bIBRUHH :霍耳系數(shù)，它是和資料的性質有關的常數(shù)霍耳系數(shù)，它是和資料的性質有關的常數(shù)HR經(jīng)典電子論對霍耳效應的解釋經(jīng)典電子論對霍耳效應的解釋abnv=eIU =HBIbneBIbne()1=n電子數(shù)密度電子數(shù)密度BEHv=BEHv=U2U1=H=aEHU=HBvaUVvfEH+ + + + + + +12afeBveEeffHme 1neRH=根據(jù)霍耳系數(shù)的正負號可以確定半導體的類型，根據(jù)霍耳根據(jù)霍耳系數(shù)的正負號可以確定半導體的類型，根據(jù)霍耳系數(shù)的大小的測定，可以確定載流子的濃度。系數(shù)的大小的測定，可以確定載流子的濃度。bIBRUHH bIBne1UH