大學物理課件第6章磁力一、帶電粒子在磁場中的運動1.帶電粒子速度與磁場垂直大小

方向始終與電荷的運動方向垂直大學物理課件回旋半徑R回旋周期大學物理課件偏轉++運動帶電粒子在磁場中的偏轉++++v偏轉B質譜儀B質譜儀原理++++++++++++++++++++++++離子源v+++++質譜儀原理B=qRmv半徑Bvq若為常量Rm8++勞倫斯（1901～1958）美國物理學家

1932年建成世界第一臺回旋加速器。這是一種有奇特效能的能夠加速帶電粒子的裝置。由于在回旋加速器及其應用技術方面的成就，勞倫斯獲得1939年度諾貝爾物理獎。

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回旋加速器是用來獲得高能帶電粒子的設備。基本性能：2.使帶電粒子在電場的作用下得到加速。使帶電粒子在磁場的作用下作回旋運動。回旋加速器大學物理課件粒子的動能軌道半徑粒子引出速度回旋加速器加速器大學物理課件同步輻射光源簡介大學物理課件大學物理課件大學物理課件大學物理課件同步輻射光源－寬頻帶大學物理課件上海光源主體建筑大學物理課件光束線站布局BL01B1加速器束流診斷線站BL04U1復旦大學線站BL05U1物理所線站BL17U1生物大分子晶體學線站BL18ID蛋白質科學設施BL18B1蛋白質科學設施BL19ID蛋白質科學設施BL15U1硬X射線微聚焦線站BL16B1X射線小角散射線站BL20上海激光電子伽瑪射線源裝置（SLEGS）BL08U1-A軟X顯微譜學線站BL14W1XAFSBL14B1X射線衍射線站BL08U1-BX射線干涉光刻線站(分支線，應用物理所)BL10W1X射線成像線站BL03W1張江園區線站20個周期。可用于安裝插入件的長直線節2個，標準直線節16個；彎鐵光源引出口36個；紅外光束線引出口4個；總共可容納約60個光束線站。大學物理課件上海光源應用領域上海光源平臺生命科學生物醫藥材料科學地球/環境科學新材料環保技術石油化工微納電子信息技術鋼鐵冶金微納加工地質勘探新能源物理學化學大學物理課件例一架回旋加速器的振蕩頻率為12MHz，D形電極的半徑為54cm。求加速氘核（質量為3.3×10-27kg,帶電荷量為1.6×10-19C）需要多大的磁感應強度，氘核的最大動能和最大速度各為多少?回旋加速器大學物理課件氘核的最大速度為這個速度和光速相比是比較小的。如果將電子加速到和氘核具有相同的能量，由于電子的質量遠小于氘核，其速度就遠大于氘核，這時必須考慮相對效應的限制。因而回旋加速器一般適用于加速質量較大的粒子，不宜用于加速電子。加速電子可利用電子感應加速器。大學物理課件氘核的最大動能為沿磁場方向

粒子作勻速運動2.帶電粒子速度與磁場不垂直垂直磁場方向

粒子作勻速圓周運動（回旋運動）

大學物理課件粒子總的運動是一個軸線沿磁場方向的螺旋運動h大學物理課件續24+vvvBqBvvqv帶電粒子在磁場中的螺旋運動螺旋線半徑回旋周期螺旋軌跡的螺距h大學物理課件磁聚焦會聚到一點的現象與透鏡將光束聚焦現象十分相似，因此叫磁聚焦。

3.帶電粒子在磁場中運動舉例一束發散角不大的帶電粒子束，當它們在磁場B的方向上具有大致相同的速度分量時，它們有相同的螺距。經過一個周期它們將重新會聚在另一點，這種發散粒子束大學物理課件三、帶電粒子在磁場中的運動

在非均勻磁場中,磁場較強的地方，回旋半徑和螺距都較小。帶電粒子所受洛倫茲力恒有一指向磁場較弱方向的分量阻礙其繼續前進，就象遇反射鏡一樣。這種強度逐漸增強的磁場稱為磁鏡。磁鏡（或磁塞）大學物理課件

兩個電流方向相同的線圈產生中間弱兩端強的磁場。帶電粒子被束縛在兩個磁鏡間的磁場內來回運動而不能逃脫。這種束縛帶電粒子的磁場稱為磁瓶。磁約束大學物理課件磁約束BFIIvBBFF+磁約束(磁鏡效應)磁約束F托卡馬克裝置工作的基本原理a:等離子體b:平衡場線圈c:真空室d:縱場線圈e:鐵芯變壓器大學物理課件中國“人造太陽”中科院等離子物理所建成的全超導的托克馬克試驗裝置調試成功，中國“人造太陽”引發世界沖擊波.大學物理課件

地球的磁場與一個棒狀磁體的磁場相似，地磁軸與自轉軸的交角為11.50，地磁兩極在地面上的位置是經常變化的。范艾侖輻射帶和北極光大學物理課件太陽大氣和行星際空間大學物理課件電離層和中高層大氣

從赤道到地磁的兩極磁場逐漸增強，因此地磁場是一個天然的磁約束捕集器，它使來自宇宙射線和“太陽風”的帶電粒子圍繞地磁場的磁感應線做螺旋運動，而在靠近地磁南、北兩極處被反射回來。這樣，帶電粒子就在地磁南、北兩極之間來回振蕩，直到由于粒子間的碰撞而被逐出為止。大學物理課件

被地磁場捕獲的罩在地球上空的質子層和電子層，形成范·阿侖(VanAllen）輻射帶。范·阿侖輻射帶有兩層外層

在60000km處800km-4000km內層

地面上空大學物理課件地球輻射帶大學物理課件

在地磁場的南、北兩極附近由于磁感應線與地面垂直，由外層空間入射的帶電粒子可直接射入高空大氣層內。高速帶電粒子與大氣分子相互碰撞產生的電磁輻射就形成了絢麗多彩的極光。大學物理課件極光（Aurora)大學物理課件四、霍爾效應1.實驗現象把一載流導體薄板放在磁場中時，如果磁場方向垂直于薄板平面，則在薄板的上、下兩側面之間會出現微弱電勢差，這一現象稱為霍耳效應，其電勢差稱為霍耳電壓。大學物理課件2.經典理論解釋電子受力平衡時hbn大學物理課件2.應用判斷半導體的載流子種類（電子、空穴？）。大學物理課件磁強計（高斯計）：測量磁場的大小和方向。磁流體發電。大學物理課件大學物理課件量子霍爾效應按經典霍爾效應理論應隨B連續變化霍爾電阻1980年，克利青在1.5K極低溫度和18.9T強磁場下

測量金屬——氧化物——半導體場效應晶體管時，發現其霍爾電阻隨磁場的變化出現了一系列量子化平臺,即大學物理課件h為普朗克常數，e為電子電量，N=1,2?整數1982年，崔琦和施特默等人在更低的溫度和更強的磁場0.1K、20T條件下發現：稱為整數量子霍爾效應(IQHE)。稱為分數量子霍爾效應(FQHE)一年后，勞克林對分數量子霍爾效應給出了很好的解釋大學物理課件1985年,KlausvonKlitzing獲諾貝爾物理獎.崔琦,HorstStomer和RobertLaughlin獲1998年諾貝爾物理獎如圖．均勻電場

沿x軸正方向，均勻磁場沿z軸正方向，今有一電子在yOz平面沿著與y軸正方向成135°角的方向以恒定速度運動，則電場

與

磁場在數值上應滿足的關系式是_

大學物理課件五、載流導線在磁場中所受的力1.安培力實驗發現，外磁場對載流導線有力的作用，這個力稱為安培力。

大學物理課件五、載流導線在磁場中所受的力載流導線在磁場中所受到的磁力（安培力）的本質是：在洛倫茲力的作用下，導體作定向運動的電子和導體中晶格上的正離子不斷地碰撞，把動量傳給了導體，從而使整個載流導體在磁場中受到磁力的作用。

大學物理課件2.安培力公式任意電流元受力為整個受力大學物理課件五、載流導線在磁場中所受的力例1在均勻磁場中放置一半徑為R

的半圓形導線，電流強度為I

，導線兩端連線與磁感強度方向夾角

=30°，求此段圓弧電流受的磁力。=30°大學物理課件解在電流上任取電流元方向=30°大學物理課件

練習：有一半徑為a，流過穩恒電流為I的1/4圓弧形載流導線bc，按圖示方式置于均勻外磁場中，則該載流導線所受的安培力大小為大學物理課件3.載流線圈在磁場中所受的力矩在均勻磁場中，有一剛性矩形載流線圈abcd，它的邊長分別為l1和l2，電流為I。線圈法線方向與電流的流向符合右手螺旋關系，與磁場的方向夾角為

。abcdl2Il1

大學物理課件abcdl2Il1

對于導線ad段和bc段，作用力的大小相等、方向相反，并且在同一直線上，所以它們的合力及合力矩都為零。大學物理課件而導線ab段和cd段所受磁場作用力的大小為：a（b）Il1

d（c）因此線圈在磁場中受到一個磁力矩的作用。這兩個力的方向相反，但不在同一直線上。大學物理課件線圈在磁場中受到的磁力矩的大小為：a（b）Il1

d（c）其中磁力矩的矢量表示大學物理課件定義稱為載流線圈的磁偶極矩，簡稱磁矩。a（b）Il1

d（c）則上式對所有閉合電流均成立。磁矩是微觀粒子本身的特性之一。磁矩單位Am2或Nm/T大學物理課件五、載流導線在磁場中所受的力幾種特殊情況：當時，線圈平面與垂直，，此時線圈處于穩定平衡狀態；當時，線圈平面與平行，此時abcdIabcdI大學物理課件當時，線圈平面與垂直，但載流線圈的方向與的方向相反，，此時線圈處于不穩定平衡狀態。abcdI總之，磁場對載流線圈作用的磁力矩，總是使磁矩轉到磁感強度的方向上。大學物理課件例三例求下圖載流線圈所受的安培力及對Y軸的磁力矩dFBIldsinaFdFIRBsinada0