第四章 磁場和磁力 3-5節(jié)

大學(xué)物理學(xué) 李國強(qiáng)物理與電子學(xué)院Email：gqli1980@Tel公室：B座，309室------電磁學(xué)部分

第四章磁力與磁場§4.1磁場§4.2點(diǎn)電荷受到的磁力§4.3帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動：垂直§4.4

帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動：夾角任意值§4.5在相互垂直的電場和磁場中的帶電粒子§4.6載流導(dǎo)線受到的磁力§4.7載流線圈受到的力矩§4.8電流激發(fā)的磁場§4.9安培定律§4.10磁介質(zhì)1、帶電粒子在磁場中所受的力磁場力洛侖茲力的方向垂直于運(yùn)動電荷的速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度所組成的平面，且符合右手螺旋定則。帶電粒子在磁場中所受的力qBvFm2、速度方向與磁場方向垂直洛侖茲力的大小方向：垂直于速度和磁場的方向回旋半徑回旋周期回旋頻率圓周運(yùn)動一、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動1、速度方向與磁場方向平行帶電粒子受到的洛侖茲力為零，粒子作直線運(yùn)動3、速度方向與磁場方向有夾角把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量平行于磁場的方向：F//=0，

勻速直線運(yùn)動垂直于磁場的方向：F⊥=qvBsinθ，

勻速圓周運(yùn)動粒子作螺旋線向前運(yùn)動，軌跡是螺旋線?；匦霃交匦芷诼菥唷Ｗ踊剞D(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離hB螺距d與v⊥無關(guān)，只與v//成正比，若各粒子的v//相同，則其螺距是相同的，每轉(zhuǎn)一周粒子都相交于一點(diǎn)，利用這個原理，可實(shí)現(xiàn)磁聚焦。地磁場，兩極強(qiáng)，中間弱，能夠捕獲來自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來回振蕩。1958年，探索者一號衛(wèi)星在外層空間發(fā)現(xiàn)被磁場俘獲的來自宇宙射線和太陽風(fēng)的質(zhì)子層和電子層——VanAllen輻射帶二、帶電粒子在電場和磁場中的運(yùn)動舉例1、電子比荷(又稱荷質(zhì)比e/m)的測定引言：電子的電量和質(zhì)量是電子基本屬性，對電子的電量、質(zhì)量和兩者的比值(即比荷)的測定有重要的意義。1897年J.J.Thomson在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室測量電子比荷，為此1906年獲Nobel物理獎。實(shí)驗(yàn)裝置....................+-A1A2K+L..................................................................................................da原理:加速電子經(jīng)過電場與磁場區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn).結(jié)論:對于速度不太大的電子條件:電子比荷(忽略電場中的偏轉(zhuǎn))2、質(zhì)譜儀引言：是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學(xué)家與化學(xué)家阿斯頓于1919年創(chuàng)造，當(dāng)年發(fā)現(xiàn)了氯與汞的同位素，以后幾年又發(fā)現(xiàn)了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓于1922年獲諾貝爾化學(xué)獎。原理圖速度選擇器+從離子源出來的離子經(jīng)過S1、S2加速進(jìn)入電場和磁場空間，若粒子帶正電荷+q，則電荷所受的力有：洛侖茲力：qvB電場力：

qE若粒子能進(jìn)入下面的磁場qvB=qE速度選擇器若每個離子所帶電量相等，由譜線的位置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量。帶電粒子經(jīng)過速度選擇器后，進(jìn)入磁場B?中做圓周運(yùn)動，半徑為R+鍺的質(zhì)譜3、回旋加速器美國物理學(xué)家勞倫斯于1934年研制成功第一臺加速器勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎。結(jié)構(gòu)：密封在真空中的兩個金屬盒（D1和D2）放在電磁鐵兩極間的強(qiáng)大磁場中，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子。目的：用來獲得高能帶電粒子——轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應(yīng)，研究原子核或其它粒子的性質(zhì)。原理：使帶電粒子在電場與磁場作用下，往復(fù)加速達(dá)到高能。交變電場的周期恰好為回旋周期時——粒子繞過半圈恰好電場反向，粒子又被加速。因?yàn)榛匦芷谂c半徑無關(guān)，所以粒子可被反復(fù)加速，至用致偏電極將其引出。回旋頻率當(dāng)粒子到達(dá)半圓邊緣時，粒子的速率為（R0為最大半徑）粒子動能蘭州重離子加速器北京正負(fù)電子對撞機(jī)合肥同步輻射加速器國內(nèi)外加速器歐洲粒子物理研究所(CERN)大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)4、霍耳效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則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)象稱之為霍耳效應(yīng)。相應(yīng)的電勢差稱為霍耳電壓。現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)規(guī)律在磁場不太強(qiáng)時，霍耳電壓與電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，而與導(dǎo)電板的厚度d

成反比I+++++++++++++++________++++++-----EBbddbuHI假設(shè)載流子是負(fù)電荷，定向漂移速度為vd與電流反向，磁場中的洛侖茲力使載流子運(yùn)動，形成霍耳電場。電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡，從而形成橫向電勢差?；舳禂?shù)霍耳效應(yīng)的經(jīng)典解釋––––+++I霍耳效應(yīng)的應(yīng)用半導(dǎo)體的載流子濃度小于金屬電子的濃度，且容易受溫度、雜質(zhì)的影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導(dǎo)體的重要方法之一。判定載流子類型測量載流子濃度測量磁感應(yīng)強(qiáng)度測量電流測量溫度1980年，德國物理學(xué)家克利青在研究低溫和強(qiáng)磁場下半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)UH~B的曲線出現(xiàn)臺階，而不是線性關(guān)系——量子霍耳效應(yīng)。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。后來又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)。分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)與分?jǐn)?shù)電荷的存在與否有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：無機(jī)械損耗，可以提高效率，缺點(diǎn)：尚存在技術(shù)問題有待解決?；魻栃?yīng)判定載流子類型++++–––I––––+++I*磁流體發(fā)