1、大學(xué)物理第十三章大學(xué)物理第十三章 恒定磁場恒定磁場4的定義的定義BVBmF2當帶電粒子的速度沿磁場某一方向運動時，當帶電粒子的速度沿磁場某一方向運動時，受力為零的方向受力為零的方向,定義為磁感應(yīng)強度的方向。定義為磁感應(yīng)強度的方向。VBmaxFVBFmax當它的速度垂直于該方向時，當它的速度垂直于該方向時，受力最大。為受力最大。為 B規(guī)定：規(guī)定：速度與速度與 正方向的矢量正方向的矢量積方向為該磁力的方向積方向為該磁力的方向 。B0mFVq5BVqFm當帶電粒子的速度在任意方向時，當帶電粒子的速度在任意方向時，受力受力 大小與大小與 成正比，成正比， 為為 和和 之間的夾角。所以：之間的夾角。所以

2、：mF sinBVVB單位：在國際單位制中：單位：在國際單位制中：1T=1特斯拉特斯拉VBmF磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B的量綱的量綱MT 2I 1同樣可用磁力線形象地同樣可用磁力線形象地描繪磁場的分布。描繪磁場的分布。BI62.1 帶電粒子在帶電粒子在均勻均勻磁場中的磁場中的勻速圓周勻速圓周運動運動 RmVBqV2半徑半徑 qBmVR sinVV 2 帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動將速度分解為平行于磁場和垂直于磁場的分量；將速度分解為平行于磁場和垂直于磁場的分量；垂直于磁場的速度分量提供做勻速圓周運動的垂直于磁場的速度分量提供做勻速圓周運動的向心力，運動方程向心力，運動方程V/VBV

3、為速度與磁感應(yīng)為速度與磁感應(yīng)強度之間的夾角。強度之間的夾角。 mqVmFB7周期周期 qBmT 2勻速圓周運動的周期與速度無關(guān)。勻速圓周運動的周期與速度無關(guān)。結(jié)論結(jié)論半徑半徑 qBmVR圓周的半徑與垂直于磁場的速度圓周的半徑與垂直于磁場的速度分量成正比。分量成正比。 mqVmFB82.2 帶電粒子在磁場中的帶電粒子在磁場中的螺旋線運動螺旋線運動螺距在一個周期內(nèi)沿磁場方向行進的距離螺距在一個周期內(nèi)沿磁場方向行進的距離 qBmVTVh 2cos/將速度分解為將速度分解為平行于平行于磁場磁場和垂直于磁場的分量；粒和垂直于磁場的分量；粒子以平行于磁場的速度分子以平行于磁場的速度分量沿磁場方向做勻速直線

4、量沿磁場方向做勻速直線運動。所以，其合運動為運動。所以，其合運動為螺旋線運動。螺旋線運動。V/VBVV/V 和和 分別是速度在平行于磁場方向分別是速度在平行于磁場方向的分量和垂直于磁場的分量。的分量和垂直于磁場的分量。勻速圓周運動的半徑僅與速度的垂直分量有關(guān)。勻速圓周運動的半徑僅與速度的垂直分量有關(guān)。9* 磁聚焦、電子顯微鏡磁聚焦、電子顯微鏡 教學(xué)輔助軟件磁聚焦演示帶電粒子在磁場中教學(xué)輔助軟件磁聚焦演示帶電粒子在磁場中的勻速圓周運動，洛侖茲力方向；的勻速圓周運動，洛侖茲力方向；不同速度的帶電粒子在磁場中的螺旋線運動，不同速度的帶電粒子在磁場中的螺旋線運動，可調(diào)控速度；可調(diào)控速度；FPCAI的電

5、子顯微鏡中有勻速圓周運動和的電子顯微鏡中有勻速圓周運動和螺旋線運動、磁透鏡、磁聚焦。螺旋線運動、磁透鏡、磁聚焦。10* 磁聚焦磁聚焦magnetic focusing一束發(fā)散角不大的帶電一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，假設(shè)這些粒子粒子束，假設(shè)這些粒子沿沿它廣泛應(yīng)用于電真空器件中如它廣泛應(yīng)用于電真空器件中如電子顯微鏡電子顯微鏡electron microscope中。它起了光學(xué)儀器中的透鏡中。它起了光學(xué)儀器中的透鏡類似的作用。類似的作用。hB見見FPCAI 軟件軟件 B磁場方向的分速度大小又磁場方向的分速度大小又一樣，它們有相同的螺距，經(jīng)過一一樣，它們有相同的螺距，經(jīng)過一個周期它們將重新會聚在另一點

6、這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現(xiàn)象叫種發(fā)散粒子束會聚到一點的現(xiàn)象叫磁聚焦。磁聚焦。11bIBVAA bIBkVAA 實驗上稱實驗上稱 為霍耳系數(shù)，與材料有關(guān)。為霍耳系數(shù)，與材料有關(guān)。k2.3 霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)把一載流導(dǎo)體放在年霍耳發(fā)現(xiàn)把一載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，那么在與磁場和電流二者垂直垂直，那么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)的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。象稱之為霍耳現(xiàn)象。*現(xiàn)象現(xiàn)象*實驗結(jié)果實驗結(jié)果載流子的正負決定載流子的正負決定 的正負的正負 AAV0

7、AAV0q0q0 AAVBIqF AA+ bh12bIBkbIBnqVAA 1 AAVI*霍耳效應(yīng)的霍耳效應(yīng)的經(jīng)典解釋經(jīng)典解釋以載流子是負電荷為例以載流子是負電荷為例,其定向其定向漂移速度為漂移速度為u與電流反向與電流反向,在磁在磁場中的洛侖茲力使載流子運動場中的洛侖茲力使載流子運動在在AA方向上形成霍耳電場。方向上形成霍耳電場。霍耳電場力與洛侖茲力平衡時霍耳電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移到達動態(tài)平衡，從電子的漂移到達動態(tài)平衡，從而形成橫向電勢差而形成橫向電勢差euBeEH enbhuI uBhhEVHAA bIBkbIBneVAA 1 qBFbI AA +h13測量測量磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度

8、 AAVTB*霍耳效應(yīng)的應(yīng)用霍耳效應(yīng)的應(yīng)用因為半導(dǎo)體的載流子濃度小因為半導(dǎo)體的載流子濃度小于金屬電子的濃度且容易受于金屬電子的濃度且容易受溫度、雜質(zhì)的影響，所以霍溫度、雜質(zhì)的影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導(dǎo)體的重要耳系數(shù)是研究半導(dǎo)體的重要方法之一。方法之一。測量載流子測量載流子濃度濃度測量載流子測量載流子類型類型BVAA kbI,八十年代，發(fā)現(xiàn)八十年代，發(fā)現(xiàn)量子霍耳效應(yīng)量子霍耳效應(yīng), 即曲線即曲線 ，當，當 為常數(shù)時，出現(xiàn)臺階，而不為線性關(guān)系。為常數(shù)時，出現(xiàn)臺階，而不為線性關(guān)系。為此為此86年獲諾貝爾獎金；九十年代發(fā)現(xiàn)有年獲諾貝爾獎金；九十年代發(fā)現(xiàn)有分數(shù)量子霍耳效應(yīng)分數(shù)量子霍耳效應(yīng)，與分數(shù)電荷的存

9、在與否有關(guān)，理論上用量子力學(xué)解釋尚不夠。與分數(shù)電荷的存在與否有關(guān)，理論上用量子力學(xué)解釋尚不夠。九八年獲諾貝爾獎金。九八年獲諾貝爾獎金。優(yōu)點是無機械損耗，可以優(yōu)點是無機械損耗，可以提高效率，但目前尚存在提高效率，但目前尚存在技術(shù)問題有待解決。技術(shù)問題有待解決。bIBkbIBneVAA 1 14xRAS 202.4 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀Mass Spetrometer* 濾速器濾速器BEV EBxqBm20 0/qBmVR 假設(shè)每個離子所帶電量相等，由譜線的位置假設(shè)每個離子所帶電量相等，由譜線的位置x的大小可以確定同位素的質(zhì)量。由感光的大小可以確定同位素的質(zhì)量。由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對含

10、量。片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對含量。qVBqE BEV * 質(zhì)譜分析儀質(zhì)譜分析儀 質(zhì)量為質(zhì)量為 ，電量為電量為 的帶電粒子的帶電粒子 經(jīng)過濾經(jīng)過濾速器后，飛入磁場速器后，飛入磁場 中做圓中做圓周運動，落在感光片周運動，落在感光片 A 處，處，其半徑其半徑R為：為：mqoBVRqBm0 AoBoSqVBE+ 152.5 盤旋加速器盤旋加速器 CyclotronmqBRVmaxR為盒的最大半徑。為盒的最大半徑。qBmT 2 交變電場的周期恰好為盤旋一周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。因為回場反向，粒子又被加速。因為

11、回旋周期與半徑無關(guān)，所以可被反旋周期與半徑無關(guān)，所以可被反復(fù)加速，至用致偏電極將其引出。復(fù)加速，至用致偏電極將其引出。NSD1D2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放在電磁鐵兩極間的強大磁場中，如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，中心附近放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在縫隙里的交變電場用以加速帶電粒子。子。*同步加速器，它是同步加速器，它是使使磁場具有某種分布，磁場具有某種分布，從從而在半徑不同的地而在半徑不同的地方盡方盡管粒子的質(zhì)量不同，管粒子的質(zhì)

12、量不同，但但盤旋頻率保持不變。盤旋頻率保持不變。TRV 2max16* 同步盤旋加速器同步盤旋加速器 SynchrocyclotronCAIUPS加速的粒子能量，每十年提高一個數(shù)量級。能量范圍加速的粒子能量，每十年提高一個數(shù)量級。能量范圍在在0.08Mev5105Mev. 能量的每次提高都帶來對粒能量的每次提高都帶來對粒子的新發(fā)現(xiàn)。如子的新發(fā)現(xiàn)。如1983年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)W、W、Z0粒子。粒子。因為相對論效應(yīng)，當粒子速率很大時，質(zhì)量變大，因為相對論效應(yīng)，當粒子速率很大時，質(zhì)量變大，所以，交變電場的周期應(yīng)該同步的增大，才能恰所以，交變電場的周期應(yīng)該同步的增大，才能恰好與盤旋一周的周期同步相等，到達加

13、速的目的。好與盤旋一周的周期同步相等，到達加速的目的。可用實驗方法補償相對論效應(yīng)。可用實驗方法補償相對論效應(yīng)。同步盤旋加速器它保持磁場同步盤旋加速器它保持磁場不變，改變施加在不變，改變施加在 D形電極形電極上的交變電壓的頻率，從而上的交變電壓的頻率，從而使粒子的運動與所施加的電使粒子的運動與所施加的電壓保持共振。壓保持共振。*也可同步增加磁場也可同步增加磁場使盤旋頻率保持不變。使盤旋頻率保持不變。17* 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(不要求不要求)xBy一個帶電粒子一個帶電粒子進入軸對稱會進入軸對稱會聚磁場，如圖聚磁場，如圖所示，在所示，在YZ平平面內(nèi)的速度分面內(nèi)的

14、速度分量與磁場的量與磁場的 X分量的洛侖茲分量的洛侖茲力，使其在力，使其在YZ平面內(nèi)做圓周平面內(nèi)做圓周運動。運動。yVzxFyzxBzVyV由于磁場的不均勻，由于磁場的不均勻，洛侖茲力的大小要變洛侖茲力的大小要變化，所以不是勻速圓化，所以不是勻速圓周運動。且半徑逐漸周運動。且半徑逐漸變小。變小。18yBzVFyBzVF當有一個向當有一個向強場方向的強場方向的速度分量，速度分量，它不僅螺旋它不僅螺旋前進，而且前進，而且還受一個反還受一個反方向的力，方向的力，阻止它前進。阻止它前進。最后使沿磁最后使沿磁場的運動被場的運動被抑制，而被抑制，而被迫反轉(zhuǎn)。象迫反轉(zhuǎn)。象被被“反射反射回來一樣。回來一樣。這

15、稱之為磁鏡這稱之為磁鏡magnetic lens. xByab在在a點受力分析：點受力分析：有使得粒子有使得粒子Vz逐漸增大的力，逐漸增大的力，也有使其減少也有使其減少的力。的力。xByVzFyBxVzF19帶電粒子進入軸對稱的會聚磁場，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)，它只有縱向沿磁力很小范圍內(nèi)，它只有縱向沿磁力線的運動，而無橫向跨越。或說線的運動，而無橫向跨越。或說在橫向輸運過程中它受到很大的在橫向輸運過程中它受到很大的限制。限制。結(jié)論結(jié)論* 磁約束磁約束用于受控?zé)岷朔错懼杏糜谑芸責(zé)岷朔错懼蠦II20* 范阿侖輻射帶范阿侖輻射帶Van Allen belts地軸地軸帶電粒子如宇宙射線的帶電粒子如宇宙射線的帶電粒子被地磁場捕獲，帶電粒子被地磁場捕獲，繞地磁感應(yīng)線作螺旋線運繞地磁感應(yīng)線作螺旋線運動，在近兩極處地磁場增動，在近兩極處地磁場增強，作螺旋運動的粒子被