11章恒定磁场第三讲课件7.ppt

1、绚丽的绚丽的极光极光sinqvBFBv，夹角为与BvqFm大小：大小：方向：方向：的方向的方向 Bv洛伦兹力洛伦兹力vF（右手螺旋定则）（右手螺旋定则）FvB洛伦兹力洛伦兹力只改变带电粒子运动方向，只改变带电粒子运动方向，不改变速度大小，即不改变速度大小，即洛伦兹力不作功洛伦兹力不作功。qvBFBvmax2,00,/FBv或11 7 11 7 带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动（1 1）当带电粒子沿磁场方向）当带电粒子沿磁场方向运动时运动时:BqvBqvF002sin00sin0oBqvF（2 2）当带电粒子的运动方向与）当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时磁场方向垂直时:0v0vF二二

2、.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动粒子作匀速直线运动。粒子作匀速直线运动。粒子在磁场中做匀速圆周运动。粒子在磁场中做匀速圆周运动。RvmBqvF200qBmvR0qBmvRT220粒子在磁场中做匀速圆周运动，粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力为向心力。洛伦兹力为向心力。mqBT2mqBTf21回旋频率回旋频率（3 3）如果）如果 与与 斜交成斜交成 角角 Bv粒子作螺旋运动。粒子作螺旋运动。vvv/sinvv cosvv/使粒子沿使粒子沿B B方向做匀速直线运动方向做匀速直线运动使粒子在垂直于使粒子在垂直于B B的平面内做匀速圆周运动的平面内做匀速圆周运动半径半径qBmv

3、qBmvRsin周期周期qBmRT22qBmd2cosvTv/螺距螺距注意注意:螺距仅与螺距仅与 有关。有关。/vd 例例1 在垂直纸平面的均匀磁场的作用下，有一电在垂直纸平面的均匀磁场的作用下，有一电子束在纸平面内作圆周运动，其半径为子束在纸平面内作圆周运动，其半径为R=15cm.已已知电子是在知电子是在 的加速电压下，由静止获得作的加速电压下，由静止获得作匀速圆周速度的匀速圆周速度的.试求：（试求：（1）均匀磁场的磁感强度是）均匀磁场的磁感强度是多少？（多少？（2）电子的角速率是多少？）电子的角速率是多少？175VV解（解（1）设电子的质量为设电子的质量为me,电荷为电荷为-e,并设电子作

4、匀速并设电子作匀速圆周运动的速率为圆周运动的速率为v，则动能和电势能的增量分别为：，则动能和电势能的增量分别为：2ke/2EmvP()EeV 由能量守恒定律，有由能量守恒定律，有2e/2me V v1/261e2()7.86 10 m se Vmv4e2.98 10TBmeRv/（2）由圆周运动的角速率和速率的关系，可得由圆周运动的角速率和速率的关系，可得电子的角速率为：电子的角速率为：715.24 10 rad sRv/qRmvBqBmvR00由由 应用应用 电子光学电子光学,电子显微镜等电子显微镜等.磁聚焦磁聚焦 在均匀磁场中某点在均匀磁场中某点 A 发射一束初速相发射一束初速相差不大的带

5、电粒子差不大的带电粒子,它们的它们的 与与 之间的夹角之间的夹角 不尽相同不尽相同,但都较小但都较小,这些粒子沿半径不同的螺旋这些粒子沿半径不同的螺旋线运动线运动,因螺距近似相等因螺距近似相等,都相交于屏上同一点都相交于屏上同一点,此此现象称之为磁聚焦现象称之为磁聚焦.0vB电子显微镜B显像管中电子束的磁聚焦装置示意图显像管中电子束的磁聚焦装置示意图磁场三三.带电粒子在非带电粒子在非均匀磁场中运动均匀磁场中运动B带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动vvv/BqBmR1v 与与 不垂直不垂直Bv 为非均匀磁场为非均匀磁场B 地磁场是非均匀磁场，地磁场是非均匀磁场，从赤道到两极

6、磁感应强度从赤道到两极磁感应强度逐渐增强逐渐增强.宇宙射线中的高能电子和质子进入地磁场，宇宙射线中的高能电子和质子进入地磁场，将被磁场捕获，并在地磁南北极间来回震荡，形成范将被磁场捕获，并在地磁南北极间来回震荡，形成范阿伦辐射带阿伦辐射带.地磁场的磁约束作用地磁场的磁约束作用包包围围地地球球外外围围的的范范艾艾仑仑辐辐射射带带 1958 1958年人造卫星的探测发现年人造卫星的探测发现,范艾仑辐射带有两范艾仑辐射带有两层层,内层在距地面内层在距地面8008004000km4000km处处,外层在外层在60000km60000km处。处。F2F1BvFBv线圈线圈(磁镜磁镜)特别是当粒子向磁场增

7、强的方向运动时，粒子特别是当粒子向磁场增强的方向运动时，粒子所受的磁场力所受的磁场力,恒有一指向磁场较弱方向的分力恒有一指向磁场较弱方向的分力,这个这个分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动。这样有可分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动。这样有可能使粒子沿磁场增强方向的速度逐渐减小到零能使粒子沿磁场增强方向的速度逐渐减小到零,从而从而迫使粒子掉向反转运动。迫使粒子掉向反转运动。粒子的这种反转运动就好象光线遇到镜面的反射粒子的这种反转运动就好象光线遇到镜面的反射一样，所以这种装置称为一样，所以这种装置称为磁镜磁镜。1 1、带电粒子在非均匀磁场中运动时带电粒子在非均匀磁场中运动时,半径和螺距半径和螺

8、距都将随磁场增大而减小，将作变半径的螺旋线运都将随磁场增大而减小，将作变半径的螺旋线运动；动；2 2、粒子所受的磁场力、粒子所受的磁场力,恒有一指向磁场较弱方向恒有一指向磁场较弱方向的分力的分力,这个分力阻止带电粒子向磁场较强的方向这个分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动，运动，从而迫使粒子速度减为零后掉向反转。所从而迫使粒子速度减为零后掉向反转。所以这种装置称为以这种装置称为磁镜磁镜。3 3、利用磁镜装置可实现对带电运动粒子的磁约束、利用磁镜装置可实现对带电运动粒子的磁约束磁瓶磁瓶。（磁镜）（磁镜）（磁镜）（磁镜）磁约束装置（磁瓶）磁约束装置（磁瓶）托卡马克（核聚变）装置原理示意图托卡马克（

9、核聚变）装置原理示意图托卡马托卡马克装置克装置剖面结剖面结构和工构和工作时内作时内部状态部状态（上）（上）示意图示意图托卡马克装置环形容器内部实景托卡马克装置环形容器内部实景 北极光的产生是由于有时太阳黑子活动，北极光的产生是由于有时太阳黑子活动，太阳喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在太阳喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使大气激发，然后辐射发光，从而出现层时将使大气激发，然后辐射发光，从而出现美丽的北极光。美丽的北极光。1.质谱仪质谱仪RmBq2vvvRBqm7072 73 74 76锗的质谱锗的质谱四

10、四 带电粒子受电磁场作用的现代技术运用举例带电粒子受电磁场作用的现代技术运用举例.1p2p-+2s3s1s速度选择器速度选择器照相底片照相底片质谱仪的示意图质谱仪的示意图BBE速度选择器速度选择器P1P2间间BvqEqBEv 进入进入 区域区域BRm2.回旋加速器回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室型室.此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，的能量，为此为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.mqBf2mqBR0v2k21vmE 频率与半径无关频率与半径无关到半圆盒边缘时到半圆盒边缘时

11、mRBqE22022k回旋加速器原理图回旋加速器原理图NSB2D1DON 例例 2 有一回旋加有一回旋加 速器，他速器，他 的交变的交变 电压的电压的 频率频率为为 ，半圆形电极的半径为，半圆形电极的半径为0.532m.问问 加速加速氘核所需的磁感应强度为多大氘核所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的最大氘核所能达到的最大动能为多大动能为多大？其最大速率有多大其最大速率有多大？（已知氘核的质量（已知氘核的质量为为 ，电荷为，电荷为 ）.Hz10126kg103.327C106.119解解 由粒子的回旋频率公式，可得由粒子的回旋频率公式，可得T56.1T106.11012103.31962722

12、BqmfMeV7.1622022kmRBqE170sm1002.4mqBRv 我国于我国于1996年建成年建成的第一台强的第一台强流质子加速流质子加速器器，可产生，可产生数十种中短数十种中短寿命放射性寿命放射性同位素同位素.霍 耳 效 应*3.霍耳效应霍耳效应dBIbHUdIBRUHH霍耳电压霍耳电压BqqEdHvBEdHvBbEUHdHvb nqdIBUHnqR1H霍耳霍耳系数系数+qdv+-eFmFbdqndvSqnIdv,时当meFFI+-P 型半导体型半导体+-HUBmFdv 霍耳效应的应用霍耳效应的应用2）测量磁场测量磁场dIBRUHH霍耳电压霍耳电压1）判断半导体的类型判断半导体的类型mF+-N 型半导体型半导体HU-BI+-dv不受力，匀速直线运动不受力，匀速直线运动BvBv/qBmvR0qBmT2（3 3）如果如果 与与 斜交成斜交成 角角 B0v粒子作螺旋运动粒子作螺旋运动qBmvRTvd/带电粒子在匀强磁场中的运动：带电粒子在匀强磁场中的运动：qBmT2带电粒子在非均匀磁场中运动时带电粒子在非均匀磁场中运动时,作变半径作变半径的螺旋线运动。的螺旋线运动。匀速圆运动匀速圆运动