1、110-7-8 磁场对运动电荷的作用及其应用磁场对运动电荷的作用及其应用一一 洛仑兹力洛仑兹力二二 霍尔效应霍尔效应三三 量子霍耳效应量子霍耳效应11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动2一一 洛仑兹力洛仑兹力n-电荷数密度电荷数密度v-电荷定向运动速度电荷定向运动速度BlIdFd 电流元电流元Idl受的安培力受的安培力nqvSdtqnSvdtdtdqI 电流定义电流定义ldISB vFdlnqvSdlId BlnqvSdFd BvqnSdl dNndVnSdl BvqdNFdf 每个带电粒子受到的磁场力每个带电粒子受到的磁场力- - 洛仑兹力洛仑兹力11
2、11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动3Bvqf 1 矢量式矢量式洛仑兹力：洛仑兹力：注意：注意：q有正有负有正有负方向：方向：ldISB vFdBv 2 洛仑兹力特点洛仑兹力特点(1) v=0时，时，f 洛洛0，磁场对，磁场对静止电荷静止电荷无作用。无作用。(3)f洛洛不作功。不作功。所以，所以，不改变运动电荷速度大小，不改变运动电荷速度大小，只是改变方向，使路径发生弯曲。只是改变方向，使路径发生弯曲。，vf (2)B/v =0或或 ，f 洛洛0。电荷在磁场中做匀速直线运动。电荷在磁场中做匀速直线运动。11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在
3、电场和磁场中的运动4洛仑兹力提供向心力洛仑兹力提供向心力电荷作匀速率圆周运动电荷作匀速率圆周运动RvmBqv200 qBmvR0 qBmvRT220 2 & 0 BvBvqf 11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动5回旋加速器原理图回旋加速器原理图NSB2D1DON频率与半径无关频率与半径无关mqBf2mqBR0v2k21vmE 到半圆盒边缘时到半圆盒边缘时mRBqE22022k11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动6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
4、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，为此的能量，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.11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动7 我国于我国于1994年建年建成的第一成的第一台强流质台强流质子加速器子加速器 ，可产生数可产生数十种中短十种中短寿命放射寿命放射性同位素性同位素 .11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动8 vvv/vv/cos vvsin qBmvR qBmT2 qBmvTvd2cos/ 螺距螺距以自由电子为例以自由电子为例v和和B成任意角成任意角
5、，运动电荷，运动电荷作螺旋线运动。作螺旋线运动。回旋半径回旋半径回旋周期回旋周期11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动9 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 发射一束发射一束初速相差不大初速相差不大的的带电粒子带电粒子, 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线运动这些粒子沿半径不同的螺旋线运动, 因螺距近似相等因螺距近似相等, 都相交都相交于屏上同一点于屏上同一点, 此现象称之为此现象称之为磁聚焦磁聚焦。 0
6、vB11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动101986年诺贝尔物理学奖电子显微镜与扫描隧道显微镜 1926年布什（H.Busch）发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成像。 电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜可以得到比光学显微镜高得多的分辨率。 1928年-1929年期间，鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上，进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究 .1933年，鲁斯卡在加速电压75 kV下，运用焦距为3 mm的磁透镜获得 12 000倍放
7、大率 恩斯特鲁斯卡从1937年开始着手研制商品电子显微镜，1938年制成两台电子显微镜， 1939年西门子公司制造的第一台商品电子显微镜终于问世。 11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动2022-5-231111 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动12二二 霍尔效应霍尔效应11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动13 由于洛仑兹力作用，处于磁场中的载流导体内部产由于洛仑兹力作用，处于磁场中的载流导体内部产生一生一横向电场横向电场和和横向电压横向电压的现象，叫做的现象，叫做霍尔效应霍尔效
8、应。2 实验规律实验规律：HHRIBUdRH霍耳系数，由材料性质决定。霍耳系数，由材料性质决定。3 理论解释：理论解释：1 现象现象：dIU1 BH， 霍尔电势差霍尔电势差11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动14dIbBHUq+v+ + + + + - - - - -efmfqvBf mHqEf e最终状态：最终状态：大小相等，方向相反大小相等，方向相反霍耳电压霍耳电压eff mnqvbdnqvsI vBEHnqdIvb bEUHH vbB nqdIB HIBRdH1Rnq霍耳霍耳系数系数11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁
9、场中的运动15霍耳效应的应用霍耳效应的应用2）测量测量n，研究半导体载流子的浓度。，研究半导体载流子的浓度。1）判断半导体的类型判断半导体的类型I+vmf+ + +- - -P 型半导体型半导体+-HUBmf+ + +- - - N 型半导体型半导体HU-BI+-vHHIBURd霍耳电压霍耳电压1HRnqqdUIBnH 11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动16KMNRBv4) 磁流体发电磁流体发电基本原理示意图基本原理示意图 高温高速的等离子气体高温高速的等离子气体 垂直于气流的方向垂直于气流的方向上加有磁场上加有磁场 电极上获得连续输出的电能电极上获得
10、连续输出的电能 导电管导电管霍耳电霍耳电势差势差3) 测量磁场（测量磁场（高斯计）高斯计）HHIBURd霍耳电压霍耳电压IndqUBH 11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动17三三 量子霍耳效应量子霍耳效应1 整数量子霍耳效应整数量子霍耳效应(2) 条件条件1) 低温低温2) 强磁场强磁场IURHH 定义定义(3) 霍耳电阻霍耳电阻(1) 发现发现 1 9 8 0 年 ， 德 国 物 理 学 家 冯年 ， 德 国 物 理 学 家 冯 克 利 青克 利 青(K.Von.Klitzing) 从金属从金属-氧化物半导体场效氧化物半导体场效应管中发现了量子霍耳效
11、应。应管中发现了量子霍耳效应。(4) 量子霍耳效应的应用量子霍耳效应的应用建立直流电阻基准建立直流电阻基准11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动18整数量子整数量子霍尔效应霍尔效应2HHnehIUR 表达式表达式21ehnRH 3 , 2 , 1 n（量子化（量子化）11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动192 2 分数量子霍耳效应分数量子霍耳效应2) 条件条件1)更低温度；更低温度；2)更强磁场更强磁场1) 发现发现1982年，崔年，崔 琦（琦（D.C.Tsui）等人发现分数量子）等人发现分数量子霍耳效应。霍耳效应。2mehRH ,75,73,53,52,32,31 m3) 表达式表达式11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动20崔琦：崔琦： 分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应1998诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动21质谱仪质谱仪.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RmBq2vvvRBqm7072 73 74 76锗的质谱锗的质谱11 11 5 5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动2022-5-2322
