第四章磁场和磁力3-5节.

大学物理学李国强物理与电子学院Email：[e-mail]:13700782054办公室：B座，309室------电磁学部分第四章磁力与磁场§4.1磁场§4.2点电荷受到的磁力§4.3带电粒子在匀强磁场中的运动：垂直§4.4带电粒子在匀强磁场中的运动：夹角任意值§4.5在相互垂直的电场和磁场中的带电粒子§4.6载流导线受到的磁力§4.7载流线圈受到的力矩§4.8电流激发的磁场§4.9安培定律§4.10磁介质1、带电粒子在磁场中所受的力磁场力mFqvB洛仑兹力的方向垂直于运动电荷的速度和磁感应强度所组成的平面，且符合右手螺旋定则。带电粒子在磁场中所受的力qBvFmFqvB2、速度方向与磁场方向垂直洛仑兹力的大小0fqvB方向：垂直于速度和磁场的方向200vqvBmR回旋半径0mvRqB回旋周期000222mvmTvqRBqBv回旋频率12qBfTm圆周运动一、带电粒子在磁场中的运动1、速度方向与磁场方向平行带电粒子受到的洛仑兹力为零，粒子作直线运动3、速度方向与磁场方向有夹角把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量//cossinvvvv平行于磁场的方向：F//=0，匀速直线运动垂直于磁场的方向：F⊥=qvBsinθ，匀速圆周运动粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。回旋半径sinmvRqBmvqB回旋周期22RvmTqB螺距——粒子回转一周所前进的距离//2cosmdvTvqBhBB螺距d与v⊥无关，只与v//成正比，若各粒子的v//相同，则其螺距是相同的，每转一周粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现磁聚焦。地磁场，两极强，中间弱，能够捕获来自宇宙射线的的带电粒子，在两极之间来回振荡。1958年，探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射线和太阳风的质子层和电子层——VanAllen辐射带二、带电粒子在电场和磁场中的运动举例1、电子比荷(又称荷质比e/m)的测定引言：电子的电量和质量是电子基本属性，对电子的电量、质量和两者的比值(即比荷)的测定有重要的意义。1897年J.J.Thomson在卡文迪许实验室测量电子比荷，为此1906年获Nobel物理奖。•实验装置....................+-A1A2K+L...................1P2P...............................................................................da•原理:加速电子经过电场与磁场区域发生偏转.•结论:对于速度不太大的电子11101.75910Ckgem条件:vc2eeEdmBLa电子比荷(忽略电场中的偏转)2、质谱仪引言：是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与化学家阿斯顿于1919年创造，当年发现了氯与汞的同位素，以后几年又发现了许多同位素，特别是一些非放射性的同位素，为此，阿斯顿于1922年获诺贝尔化学奖。•原理图速度选择器AB3SqvBE+1S2S从离子源出来的离子经过S1、S2加速进入电场和磁场空间，若粒子带正电荷+q，则电荷所受的力有：洛仑兹力：qvB电场力：qE若粒子能进入下面的磁场qvB=qEEvB速度选择器•若每个离子所带电量相等，由谱线的位置可以确定同位素的质量。•由感光片上谱线的黑度，可以确定同位素的相对含量。带电粒子经过速度选择器后，进入磁场Bʹ中做圆周运动，半径为RAB3SqvBE+1S2S2vqvBmRqBRmv锗的质谱3、回旋加速器美国物理学家劳伦斯于1934年研制成功第一台加速器劳伦斯于1939年获诺贝尔物理学奖。•结构：密封在真空中的两个金属盒（D1和D2）放在电磁铁两极间的强大磁场中，两盒间接有交流电源，它在缝隙里的交变电场用以加速带电粒子。•目的：用来获得高能带电粒子——轰击原子核或其它粒子，观察其中的反应，研究原子核或其它粒子的性质。•原理：使带电粒子在电场与磁场作用下，往复加速达到高能。交变电场的周期恰好为回旋周期时——粒子绕过半圈恰好电场反向，粒子又被加速。因为回旋周期与半径无关，所以粒子可被反复加速，至用致偏电极将其引出。回旋频率2qBfm当粒子到达半圆边缘时，粒子的速率为（R0为最大半径）0qBRvm粒子动能222220011222kBqRqBREmvmmm兰州重离子加速器北京正负电子对撞机合肥同步辐射加速器国内外加速器欧洲粒子物理研究所(CERN)大型强子对撞机(LHC)4、霍耳效应1879年霍耳发现载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳效应。相应的电势差称为霍耳电压。•现象•实验规律在磁场不太强时，霍耳电压与电流I和磁感应强度B成正比，而与导电板的厚度d成反比HHBIURd＝I+++++++++++++++________++++++-----EBbddbuHIBHuB假设载流子是负电荷，定向漂移速度为vd与电流反向，磁场中的洛仑兹力使载流子运动，形成霍耳电场。电场力与洛仑兹力平衡时电子的漂移达到动态平衡，从而形成横向电势差。ddInqSvnqbdvHdqEqvBHdEBv＝HdUbBvdIvnqbd＝HBIUnqd＝1HRnq＝HHBIURd＝霍耳系数•霍耳效应的经典解释––––+++IBfdvHEHUB•霍耳效应的应用半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度，且容易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。•判定载流子类型•测量载流子浓度•测量磁感应强度•测量电流•测量温度1980年，德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体的霍耳效应时，发现UH~B的曲线出现台阶，而不是线性关系——量子霍耳效应。为此克利青于1985年获得诺贝尔物理学奖。后来又发现了分数量子霍耳效应。分数量子霍耳效应与分数电荷的存在与否有关。优点：无机械损耗，可以提高效率，缺点：尚存在技术问题有待解决。霍尔效应判定载流子类型++++–––IBfdvHE––––+++IBfdvHE*磁流体发电气体在3000K高温下将发生电离，成为正、负离子，将高温等离子气体以1000m/s的速度进入均匀磁场B中+++–––高温等离子气+–+vmf－mfvI正电荷聚集在上板，负电荷聚集在下板，因而可向外供电。B谢谢大家！