磁場對帶電粒子作用

磁場對帶電粒子作用第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月洛侖茲(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)1895年，洛侖茲根據(jù)物質電結構的假說，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。洛侖茲還預言了正常的塞曼效應，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，他的理論構成了相對論的重要基礎。洛侖茲對統(tǒng)計物理學也有貢獻。荷蘭物理學家、數(shù)學家，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年諾貝爾物理學獎金。第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月例1.一無限長載流直導線電流為I,旁邊與導線垂直放置一均勻帶電細棒,長為L,線電荷密度為λ,帶電細棒垂直于導線一速度v勻速運動,求任意時刻棒受的力.解:建立如圖所示坐標系,取線元dx,其上電荷受的力為方向：λ>0,垂直于紙面向外;

λ<0,垂直于紙面向內(nèi).

t時刻第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月+-例2.圖為一濾速器的原理圖.K為電子槍.又槍中沿KA方向射出的電子速率大小不一.當電子通過方向互相垂直的均勻電場和磁場后,只有一定沿直線前進通過小孔S.速率為多大的電子才能通過小孔S?-解:要使電子在電場和磁場中所受的力沿直線前進通過小孔S,必有由此可確定磁場垂直紙面向內(nèi).第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二、洛侖茲力與安培力的關系取一段長度為ΔL的金屬導線，每個電子定向運動受到Lorentz力為:沖量最終由于電子與導線碰撞傳遞給導線，宏觀上表現(xiàn)為導線受到這個力.而安培力---××××××第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月結論(1)導線所受的安培力實質上就是作用在各自由電子上的洛侖茲力為宏觀表現(xiàn).(2)電子熱運動對宏觀安培力無貢獻.因為三、帶電粒子在磁場中的運動1.粒子的初速垂直于磁場.+

q,mR①運動軌跡限制在垂直于磁場的平面內(nèi).②由于v不變,切向加速度粒子作勻速圓周運動.第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋半徑回旋周期回旋頻率回旋頻率與粒子的速率無關，回旋半徑與速率有關。+

q,mR第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量在平行于磁場的方向：F//=0，作勻速直線運動；在垂直于磁場的方向：F⊥=qvBsinθ，勻速圓周運動故帶電粒子同時參與兩個運動，結果粒子沿螺旋線向前運動，

軌跡是螺旋線。2.粒子的初速與磁場夾角任意第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋半徑回旋周期螺距——粒子回轉一周所前進的距離第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月磁聚焦在電子光學中有著廣泛的應用。hB

螺距h與v⊥無關，只與v//成正比，若各粒子的θ角很小,v//相同，則其螺距是相同的，每轉一周粒子都相交于一點，利用這個原理，可實現(xiàn)磁聚焦。

磁聚焦:第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月*電子的反粒子電子偶正電子：1930年英國物理學家狄拉克從理論上預言了正電子的存在，1932年，美國物理學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。

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。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。第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月*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，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。使沿磁場的運動被抑，而被迫反轉。象被“反射”回來一樣。這稱之為磁鏡。結論：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)，它只有縱向沿磁力線的運動，而無橫向跨越?；蛘f在橫向輸運過程中它受到很大的限制。應用：磁約束應用于受控熱核反應中第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月地磁場，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的質子層和電子層，稱之為VanAllen輻射帶。當太陽風(等離子體)吹到地球附近時,受地球磁場的作用,進入地球的兩極地區(qū),轟擊高層大氣而發(fā)光,受到轟擊的不同元素的氣體發(fā)出的光的顏色不同—極光.氧—綠色和紅色氮—紫色,氬—藍色

auroraborealis–北極光auroraaustralis–南極光第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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：電子的電量和質量是電子基本屬性，電子的電量質量兩者的比值(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荷質比，為此1906年獲Nobel物理獎。原理:加速電子經(jīng)過電場與磁場區(qū)域發(fā)生偏轉y對于速度不太大的電子，現(xiàn)代測定值為第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2、質譜儀引言：質譜儀是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學家與化學家阿斯頓于1919年創(chuàng)造，當年發(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年獲諾貝爾化學獎。原理圖速度選擇器+

從離子源出來的離子經(jīng)過S1、S2加速進入電場和磁場空間，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若粒子能進入下面的磁場qvB=qE濾速器第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

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量。由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對含量。質譜分析：質量為m，電量為q的帶電粒子經(jīng)過濾速器后，飛入磁場B’中做圓周運動，落在感光片

A處，其半徑R為：+

鍺的質譜第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第一臺加速器是美國物理學家勞倫斯于1934年研制成功的，為此勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學獎。3.回旋加速器第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月結構：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，如圖所示兩盒之間有一窄縫，中心附近放有離子源。兩盒間接有交流電源，它在縫隙里的交變電場用以加速帶電粒子。原理：使帶電粒子在電場與磁場作用下，得以反復加速達到高能。VB第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月交變電場的周期恰好為回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。因為回旋周期與半徑無關，所以可被反復加速，至用致偏電極將其引出?；匦l率當粒子到達半圓邊緣時，粒子的速率為（R0為盒的最大半徑）粒子動能從原理上說，要增大粒子的能量，可以從增大電磁鐵的截面（即增大半圓盒的面積）著手，但實際上這是很困難的。第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月4、霍耳效應1879年霍耳發(fā)現(xiàn)把一載流導體放在磁場中，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。相應的電勢差稱為霍耳電壓。實驗規(guī)律在磁場不太強時，霍耳電壓與電流I和磁感應強度B成正比，而與導電板的厚度d成反比，即式中k稱為霍耳系數(shù)dbI第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月霍耳效應的經(jīng)典解釋

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––––+++I第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月設其定向漂移速度為u，洛侖茲力使載流子運動，形成霍耳電場?；舳妶隽εc洛侖茲力平衡時電子的漂移達到動態(tài)平衡，從而形成橫向電勢差。平衡時霍耳系數(shù)

––––+++I第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月霍耳效應的應用因為半導體的載流子濃度小于金屬電子的濃度且容易受溫度、雜質的影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導體的重要方法之一。判定載流子類型測量載流子濃度測量磁感應強度測量交直流電路中的電流和功率。測量血流速度1980年，德國物理學家克利青在研究低溫和強磁場下半導體的霍耳效應時，發(fā)現(xiàn)UH~B的曲線出現(xiàn)臺階，而不為線性關系。這就是量子霍耳效應。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學獎。后來又發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍耳效應。分數(shù)量子霍耳效應與分數(shù)電荷的存在與否有關。優(yōu)點是無機械損耗，可以提高效率，但目前尚存在技術問題有待解決。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月磁流體發(fā)電利用燃料燃燒加熱氣體,在3000K高溫下將發(fā)生電離，成為正、負離子，將高溫等離子氣體以1000m/s的速度進入均勻磁場B中，根據(jù)洛侖茲力公式+++–––

高溫等離子氣+–+－I正電荷聚集在上板，負電荷聚集在下板，因而可向外供電。第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月目前的主要問題:發(fā)電通道效率低,只有10％,通道和電極的材料都要求耐高溫耐腐蝕耐化學燒蝕等.目前所用的材料壽命都比較短.不能長時間運行.預期效率達50％(與火力發(fā)電機聯(lián)合).第一臺:1959年美國阿夫柯公司制造,功率115kW第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

最近幾年，科學家在導電流體的選用上有了新的進展，發(fā)明了用低熔點的金屬（如鈉、鉀等）作導電流體，在液態(tài)金屬中加進易揮發(fā)的流體（如甲苯、乙烷等）來推動液態(tài)金屬的流動，巧妙地避開了工程技術上一些難題，制造電極的材料和燃料的研制方面也有了新進展。但想一下子省錢省力地解決磁流體發(fā)電中技術、材料等方面的所有難題是不現(xiàn)實的。隨著新的導電流體的應用，技術難題逐步解決，磁流體發(fā)電的前景還是樂觀的。在美國，磁流體發(fā)電機的容量已超過32000千瓦；日本、西德、波蘭等許多國家都在研制磁流體發(fā)電機。我國也已研制出幾臺不同形式的磁流體發(fā)電機。液態(tài)金屬波浪能磁流體發(fā)電海洋波浪能是一種清潔可再生能源，具有速度，大作用力的運動特性。液態(tài)金屬磁流體波浪能發(fā)電系統(tǒng)是一種海洋波浪能直接發(fā)電系統(tǒng)，它采用與波浪運動特性相匹配的液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機。在該發(fā)電系統(tǒng)中，取消了復雜的中間轉換機械，波浪的往復運動直接驅動置于磁場中發(fā)電通道內(nèi)部的液態(tài)金屬作往復運動，從而在發(fā)電通道內(nèi)部產(chǎn)生感生電動勢，連接上負載就可以輸出電能。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月中國領先世界的超導磁流體推進器潛艇2005年9月.

所謂的“磁流體推進器”就是貫通海水的通道內(nèi)建有一個磁場，這個磁場能對導電的海水產(chǎn)生電磁力作用，使之在通道內(nèi)運動，若運動方向指向船艉，則反作用力便會推動船舶前進。

第30頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月與傳統(tǒng)機械轉動類推進器(譬如螺旋槳、水泵噴水推進器等)相比較，磁流體推進器的不同點在于：前者使用機械動力作為推力而