L14-霍尔效应、回旋加速器等各种磁场应用

1霍尔效应、回旋加速器等各种磁场应用1速度选择器:①匀速直线通过的粒子:BqvEqEUvBdB②不能区分粒子的质量、电量及正负电性;③不具有运动可逆性,只能单方向工作。2质谱仪:①质谱仪主要用于分析同位素,测定其质量、荷质比和丰度;由英国物理学家阿斯顿发明;②如图所示为一种常用的质谱仪,由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。③原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式qU＝12mv2。粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvB＝mv2r。由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷。r＝mvqB＝2mEkqB＝2mqUqB＝1B2mUq，m＝qr2B22U，qm＝2UB2r2在上式中，B、U、q对同一元素均为常量，故r∝m，根据不同的半径，就可计算出粒子的质量或比荷。3回旋加速器:（忽略在电场中加速的时间；忽略相对论效应）①利用磁场使带电粒子回旋、每个回旋间隙经高频交流电压反复加速;②核心部件:外部磁场B、金属D型盒(两个，静电屏蔽)、D型盒间隙处交变电场U；③1932年由美国物理学家劳伦斯及他的学生埃德尔森和利文斯顿发明。④最大速度、最大动能：⑤回旋圈数、回旋时间：⑥交流电频率、交流电电压:⑦易错:(1)加速不同比荷的粒子,交流电频率不同;(2)加速电压的高低只会影响带电粒子回旋圈数和总时间,并不影响最大动能。回旋加速器的主要特征(1)带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，与带电粒子的速度无关。(2)将带电粒子在两盒狭缝之间的运动首尾连起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。(3)带电粒子每加速一次，回旋半径就增大一次，所以各半径之比为1∶2∶3…(4)粒子的最后速度v＝BqRm，可见带电粒子加速后的能量取决于D形盒的最大半径和磁场的强弱。2原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速。由qvB＝mv2r，得Ekm＝q2B2r22m，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定，与加速电压无关。带电粒子在回旋加速器内运动时间长短，与带电粒子做匀速圆周运动的周期有关，同时还与带电粒子在磁场中转动的圈数有关。设带电粒子在磁场中转动的圈数为n，加速电压为U。因每加速一次粒子获得的能量为qU，每圈有两次加速。结合Ekn＝q2B2r2n2m知，2nqU＝q2B2r2n2m，因此n＝qB2r2n4mU。所以带电粒子在回旋加速器内运动时间t＝nT＝qB2r2n4mU·2πmqB＝πBr2n2U。4霍尔效应:①现象:在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流体,当磁场方向与电流方向垂直时,形成电流的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差(霍尔电势差)②霍尔电压(霍尔电势差):载流子所受的洛伦兹力与电场力平衡时霍尔电压达到稳定值;注意霍尔电压的产生位置及电势高低的判断。5磁流体发电机（离子发电机）:①根据霍尔效应,是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去,利用磁场对带电的流体产生的作用,分开正负离子、形成电势差,从而发电。②当UBqvqd时，两极板之间达到最大电势差UBdv③注意:电动势E和内阻r的计算,电路中电流大小、方向的分析。6电磁流量计流量:单位时间内流过某横截面积的流体量,常见的有质量流量或体积流量;对于体积流量来说,Q=Sv,单位：3/ms当UBqvqd时，有EUvBdB，流量4dUQSvB1.利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，CD两侧面会形成电势差UCD，下列说法中正确的是()A.电势差UCD仅与材料有关B.若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD0C.仅增大磁感应强度时，电势差UCD可能不变D.在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平解析霍尔元件稳定后，通过霍尔元件的载流子受到的电场力与洛伦兹力相等，即UCDdq＝qvB⇒UCD＝Bdv,与磁感应强度有关，A项错；由左手定则可知，载流子受到由D→C的方向的洛伦兹力，若载流子为电子，则电子向C侧偏转，UCD0，B项正确；根据UCD＝Bdv可知，仅增大磁感应强度，电势差UCD一定增大，C项错；地球赤道上方地磁场由南向北，测定地磁场时元件工作面应保持竖直，D项错。