電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)的原理及應(yīng)用

1、磁偏轉(zhuǎn)和電偏轉(zhuǎn)的原理及應(yīng)用步入高二，我們學(xué)習(xí)了電和磁的相關(guān)知識(shí)，在這些知識(shí)中，包括了電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)，而這兩大塊內(nèi)容又包括了很多應(yīng)用，為了對(duì)電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)有更深入的了解，我課題組對(duì)這兩大部分進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)果如下：一、 電偏轉(zhuǎn)相關(guān)理論受力特征：質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子以速度v0垂直射入電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場中，所受電場力，與粒子的速度無關(guān)，是恒力。運(yùn)動(dòng)規(guī)律：受力是恒定的，會(huì)使粒子做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)類平拋運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律分別從垂直于電場方向和平行于電場方向給出。偏轉(zhuǎn)情況：粒子的運(yùn)動(dòng)方向所能偏轉(zhuǎn)的角度，且在相等的時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)的角度是不相等的。動(dòng)能變化：由于電場力與粒子運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角越來越小，粒

2、子的動(dòng)能將不斷增大，且隨時(shí)間的變化越來越快。應(yīng)用：示波管定義：示波管是電子示波器的心臟。示波管的主要部件有：電子槍，偏轉(zhuǎn)板，加速級(jí)，熒光屏，刻度格子。 工作原理:電子槍產(chǎn)生了一個(gè)聚集很細(xì)的電子束，并把它加速到很高的速度。這個(gè)電子束以足夠的能量撞擊熒光屏上的一個(gè)小點(diǎn)，并使該點(diǎn)發(fā)光。電子束離開電子槍，就在兩副靜電偏轉(zhuǎn)板間通過。偏轉(zhuǎn)板上的電壓使電子束偏轉(zhuǎn)，一副偏轉(zhuǎn)板的電壓使電子束上下運(yùn)動(dòng)；另一副偏轉(zhuǎn)板的電壓使電子左右運(yùn)動(dòng)。而這些運(yùn)動(dòng)都是彼此無關(guān)的。因此，在水平輸入端和垂直輸入端加上適當(dāng)?shù)碾妷?，就可以把電子束定位到熒光屏的任何地方。示波管的電源為使示波管正常工作，?duì)電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏

3、轉(zhuǎn)板之間電位相近，偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極G1相對(duì)陰極為負(fù)電位(30V100V)，而且可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽極為正電位(約+100V+600V)，也應(yīng)可調(diào)，用作聚焦調(diào)節(jié)。第二陽極與前加速極相連，對(duì)陰極為正高壓(約+1000V)，相對(duì)于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。 相關(guān)計(jì)算式設(shè)加速電場電壓為U，偏轉(zhuǎn)電場電壓為U2,偏轉(zhuǎn)電場兩板間的距離為d，偏轉(zhuǎn)電場電場強(qiáng)度為E，電子質(zhì)量為m，偏轉(zhuǎn)電場長度為l，電子所帶電荷量為e，則eU1=12mv02 ,解之得v0=2eU1m豎直方向加速度：a=eEm=

4、eU2md電場中豎直方向位移y2=at122=U2l24U1d二、磁偏轉(zhuǎn)相關(guān)理論受力特征：質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子以速度v垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，所受磁場力（即洛倫茲力）使粒子的速度方向發(fā)生變化，而速度方向的變化反過來又使洛倫茲力的方向變化， 洛倫茲力是變力。運(yùn)動(dòng)規(guī)律：運(yùn)動(dòng)方向是變化的，使粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律分別從時(shí)（周期）、空（半徑）兩個(gè)方面給出。偏轉(zhuǎn)情況：粒子的運(yùn)動(dòng)方向所能偏轉(zhuǎn)的角度不受限制，且在相等時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)的角度總是相等。動(dòng)能變化：由于始終與粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以粒子動(dòng)能的大小保持不變。應(yīng)用速度選擇器概念：如圖所示平行板器件中，電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直

5、。具有不同水平速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況不同。這種裝置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來，所以叫做速度選擇器,這是質(zhì)譜儀的重要組成部分。粒子受力特點(diǎn)：同時(shí)受方向相反的電場力和磁場力作用。粒子勻速通過速度選擇器的條件：v垂直射入電場和磁場的正交組合場，電場力和洛倫茲力平衡：qE=qvB，v=EB速度大小只有滿足v=E B 的粒子才能沿直線勻速通過。用途：質(zhì)譜儀的重要組成，剔除速度不同的粒子，提高檢測(cè)精度；根據(jù)帶電粒子在電磁場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測(cè)物質(zhì)組成的一類儀器。磁流體發(fā)電概念：磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以把物體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，右

6、圖是它的示意圖，平行金屬板A、B之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場，將一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子）噴入磁場，AB兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把AB和用電器連接，AB就是一個(gè)直流電源的兩個(gè)電極。其中正離子向A偏轉(zhuǎn)，負(fù)離子向B偏轉(zhuǎn)。當(dāng)qE<qvB時(shí)，積累電荷，當(dāng)qE=qvB時(shí)，AB兩板間形成恒定電壓相關(guān)計(jì)算式：設(shè)AB間的距離為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，AB間電動(dòng)勢(shì)為E，等離子體速度為v，帶電量為q，qEd=qvB E=Bdv電磁流量計(jì)概念：在非磁性材料做成的圓管道外加一勻強(qiáng)磁場區(qū)域，當(dāng)管中的導(dǎo)電液體流過此磁場區(qū)域時(shí)，測(cè)出管壁上的ab兩點(diǎn)間的電動(dòng)勢(shì)U，就可以知道管中液體的流量Q-單位時(shí)間內(nèi)

7、流過液體的體積（m3/s）。公式推導(dǎo)：已知管的直徑為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,電場強(qiáng)度為E，橫截面面積為S，ab兩點(diǎn)之間電動(dòng)勢(shì)為U，直徑為d ，流量為QqvB=qE=qUd 得v=UBd 流量Q=Sv=dU4B用途：它是基于法拉第電磁感應(yīng)定律工作的，用來測(cè)量電導(dǎo)率大于5s/cm的導(dǎo)電液體的流量，是一種測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)流量的儀表。除了可以測(cè)量一般導(dǎo)電液體的流量外，還可以用于測(cè)量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性液體和均勻含有液固兩相懸浮的液體，如泥漿、礦漿、紙漿等。特點(diǎn)：電磁流量計(jì)密封性能好，還可用于自來水和地下水道系統(tǒng)。而且測(cè)量過程不與流體接觸，適于制藥、生物化學(xué)和食品工業(yè)。這種流量計(jì)還可檢測(cè)血液流量。它的量程比約為

8、100:1，精度一般為1%，由于這種傳感器必須保持管道內(nèi)電阻和測(cè)量電路阻抗之間有一定比例關(guān)系，因此在制造上有一定困難。質(zhì)譜儀概念：質(zhì)譜儀又稱質(zhì)譜計(jì)，分離和檢測(cè)不同同位素的儀器。即根據(jù)帶電粒子在電磁場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測(cè)物質(zhì)組成的一類儀器。原理：質(zhì)譜儀能用高能電子流等轟擊樣品分子，使該分子失去電子變?yōu)閹д姾傻姆肿与x子和碎片離子，這些不同離子具有不同的質(zhì)量，質(zhì)量不同的離子在磁場的作用下到達(dá)檢測(cè)器的位置不同，其結(jié)果為質(zhì)譜圖。結(jié)構(gòu)：一般由進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器和記錄系統(tǒng)等組成，還包括真空系統(tǒng)和自動(dòng)控制數(shù)據(jù)處理等輔助設(shè)備。作用對(duì)象：質(zhì)譜儀的

9、作用，就是把同一種元素的各種同位素都區(qū)分開來，同位素按質(zhì)量大小排列，形成一個(gè)"譜"。應(yīng)用：由于質(zhì)譜分析具有靈敏度高，樣品用量少，分析速度快，分離和鑒定同時(shí)進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)，因此質(zhì)譜技術(shù)廣泛的應(yīng)用于化學(xué)，化工，環(huán)境，能源，醫(yī)藥，運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)，刑偵科學(xué)，生命科學(xué)，材料科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。相關(guān)計(jì)算式：設(shè)加速電場電壓為U，初速度為v0，速度選擇器磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，場強(qiáng)為E，偏轉(zhuǎn)電場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2，粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場運(yùn)動(dòng)的軌跡的直徑為dqU=12mv2-12mv02 v=EB1 qvB2=mv2d2 m=qB2d2v=qB1B2d2E 回旋加速器主要結(jié)構(gòu)：它的主要結(jié)構(gòu)是在磁極間的真空室內(nèi)有兩個(gè)半圓

10、形的金屬扁盒（D形盒）隔開相對(duì)放置，D形盒上加交變電壓，其間隙處產(chǎn)生交變電場。置于中心的粒子源產(chǎn)生帶電粒子射出來，受到電場加速，在D形盒內(nèi)不受電場力，僅受磁極間磁場的洛倫茲力，在垂直磁場平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)。繞行半圈的時(shí)間為m/qB，其中q是粒子電荷，m是粒子的質(zhì)量，B是磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。如果D形盒上所加的交變電壓的頻率恰好等于粒子在磁場中作圓周運(yùn)動(dòng)的頻率，則粒子繞行半圈后正趕上D形盒上電壓方向轉(zhuǎn)變，粒子仍處于加速狀態(tài)。由于上述粒子繞行半圈的時(shí)間與粒子的速度無關(guān)，因此粒子每繞行半圈受到一次加速，繞行半徑增大。經(jīng)過很多次加速，粒子沿螺旋形軌道從D形盒邊緣引出，能量可達(dá)幾十兆電子伏特（MeV ）。回旋

11、加速器的能量受制于隨粒子速度增大的相對(duì)論效應(yīng)，粒子的質(zhì)量增大，粒子繞行周期變長，從而逐漸偏離了交變電場的加速狀態(tài)。進(jìn)一步的改進(jìn)有同步回旋加速器。相關(guān)計(jì)算式：設(shè)加速電壓為U，粒子的帶電量為q，加速次數(shù)為n，粒子速度為vn，半徑為r，最大半徑為R，最大動(dòng)能為Emax最大速度為vmax，頻率為f，加速總時(shí)間為tnqU=12mvn2 qvnB=mvn2r vn=2nqUm T=2mqB f=qB2m qB=2mf r=mvnqB=1B2nUmq n=qB2R22Um vmax=qBRm R=mvmaxqB Emax=12mvmax2=q2B2R2m=22mR2f2t=nT2=qB2R22UmmqB=BR22U顯像管概念：顯像管是一種電子（陰極）射線管，是電視接收機(jī)監(jiān)視器重現(xiàn)圖像的關(guān)鍵器顯像管剖視圖件。它的主要作用是將發(fā)送端（電視臺(tái)）攝像機(jī)攝取轉(zhuǎn)換的電信號(hào)（圖像信號(hào)）在接收端以亮度變化的形式重現(xiàn)在熒光屏上。為了高質(zhì)量地重現(xiàn)圖像，要求顯像管屏幕尺寸要大，圖像清晰度要高，熒光屏有足夠的發(fā)光亮度。此外對(duì)不同用途的顯像管有各種