§.磁場對帶電粒子作用

§2.6

帶電粒子磁場中的運動一、帶電粒子在電場和磁場中所受的力磁場力帶電粒子在電場和磁場中所受的力①洛侖茲力的大小:②方向:由q

及v、B共同確定.q>0③洛侖茲力磁場力對運動電荷不作功.僅改變運動方向.洛侖茲(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)1895年，洛侖茲根據(jù)物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的假說，創(chuàng)立了經(jīng)典電子論。洛侖茲的電磁場理論研究成果，在現(xiàn)代物理中占有重要地位。洛侖茲力是洛侖茲在研究電子在磁場中所受的力的實驗中確立起來的。洛侖茲還預(yù)言了正常的塞曼效應(yīng)，即磁場中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場的影響而分裂成多條的現(xiàn)象中的某種特殊現(xiàn)象。洛侖茲的理論是從經(jīng)典物理到相對論物理的重要橋梁，他的理論構(gòu)成了相對論的重要基礎(chǔ)。洛侖茲對統(tǒng)計物理學(xué)也有貢獻。荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎金。例1.一無限長載流直導(dǎo)線電流為I,旁邊與導(dǎo)線垂直放置一均勻帶電細棒,長為L,線電荷密度為λ,帶電細棒垂直于導(dǎo)線一速度v勻速運動,求任意時刻棒受的力.解:建立如圖所示坐標(biāo)系,取線元dx,其上電荷受的力為方向：λ>0,垂直于紙面向外;

λ<0,垂直于紙面向內(nèi).

t時刻+-例2.圖為一濾速器的原理圖.K為電子槍.又槍中沿KA方向射出的電子速率大小不一.當(dāng)電子通過方向互相垂直的均勻電場和磁場后,只有一定沿直線前進通過小孔S.速率為多大的電子才能通過小孔S?-解:要使電子在電場和磁場中所受的力沿直線前進通過小孔S,必有由此可確定磁場垂直紙面向內(nèi).二、洛侖茲力與安培力的關(guān)系取一段長度為ΔL的金屬導(dǎo)線，每個電子定向運動受到Lorentz力為:沖量最終由于電子與導(dǎo)線碰撞傳遞給導(dǎo)線，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)線受到這個力.而安培力---××××××結(jié)論(1)導(dǎo)線所受的安培力實質(zhì)上就是作用在各自由電子上的洛侖茲力為宏觀表現(xiàn).(2)電子熱運動對宏觀安培力無貢獻.因為三、帶電粒子在磁場中的運動1.粒子的初速垂直于磁場.+q,mR①運動軌跡限制在垂直于磁場的平面內(nèi).②由于v不變,切向加速度粒子作勻速圓周運動.回旋半徑回旋周期回旋頻率回旋頻率與粒子的速率無關(guān)，回旋半徑與速率有關(guān)。+q,mR把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量在平行于磁場的方向：F//=0，作勻速直線運動；在垂直于磁場的方向：F⊥=qvBsinθ，勻速圓周運動故帶電粒子同時參與兩個運動，結(jié)果粒子沿螺旋線向前運動，

軌跡是螺旋線。2.粒子的初速與磁場夾角任意回旋半徑回旋周期螺距——粒子回轉(zhuǎn)一周所前進的距離磁聚斬焦在芳電子拿光學(xué)獄中有派著廣刻泛的辦應(yīng)用蒜。hB螺距h與v⊥無關(guān)懸，只鄰與v//成正氣比，溪若各唇粒子返的θ角很倚小,v//相同偽，則腔其螺次距是妨相同氣的，哥每轉(zhuǎn)采一華周粒醬子都爬相交作于一亞點，繪利用腹這個陷原理嘗，可暢實現(xiàn)磁聚坦焦。磁聚旁焦:*電子炒的反答粒子眼電敵子偶正電茄子：19隊30年英晃國物轎理學(xué)吧家狄時拉克疤從理梢論上簡預(yù)言蒸了正境電子毀的存緒在，19院32年，翻美國錘物理展學(xué)家消安德腔森在災(zāi)分析搬宇宙削射線沫穿過割位于慮云霧蒼室的尿鉛塊倦后的放帶電伸粒子教的照培片時另，發(fā)斬現(xiàn)了承正電跨子。原理礦：在高財能粒閥子物話理中組，常她用帶鴿電粒通子在循云霧池室中俯的軌殃跡來照觀察蒸和區(qū)閑分粒普子的芝性質(zhì)盈。電子洽偶：理論繪和實錄驗都劍表明淘，正貨電子男總是廁伴隨暮著電嶄子一扣起出燙現(xiàn)的輕，猶英如成碑對成拍雙的竟配偶怕，故薄稱之餡為電渡子——正電膛子偶腳，簡暫稱電娛子偶積或電醬子對急。*帶電都粒子才在非鄙均勻亦磁場織中的古運動一個除帶電喇粒子虹進入鑒軸對擱稱會港聚磁龜場，腸由于敗磁場看的不取均勻沾，洛皺侖茲萍力的冰大小草要變嘉化，坐所以織不是籍勻速兄圓周忠運動漸。且半徑探逐漸瓦變小。使沿劈燕磁場斗的運鉗動被鉛抑，陽而被醬迫反戚轉(zhuǎn)。糊象被擾“反警射”惠回來事一樣詞。這賞稱之類為磁鏡。結(jié)論呆：帶電茶粒子魄進入遞軸對麗稱的濱會聚擔(dān)磁場夠，它辣便被稍約束為在一浙根磁眼力線單附近慌的很找小范殘圍內(nèi)醋，它蹤蝶只有鄙縱向喚沿磁紋力線喂的運游動，曬而無懶橫向屑跨越粱?；虮f在絕橫向面輸運錯過程太中它滲受到都很大辰的限越制。應(yīng)用近：磁約功束應(yīng)用叼于受抹控?zé)嵯珊朔疵珣?yīng)中地磁提場，予兩極燭強，州中間肥弱，挪能夠緒捕獲己來自堤宇宙悅射線上的的會帶電福粒子奮，在鑒兩極各之間經(jīng)來回鋪振蕩店。19娃58年，氧探索昌者一嶼號衛(wèi)短星在蜻外層飾空間墨發(fā)現(xiàn)敗被磁蟲場俘兵獲的可來自遇宇宙皂射線軌和太挑陽風(fēng)她的質(zhì)蒙子層應(yīng)和電些子層育，稱闖之為Va捧n尼Al遠le釀n輻射曾帶。當(dāng)太移陽風(fēng)(等離氧子體)吹到輕地球樣附近班時,受地醒球磁筑場的誤作用,進入賀地球沸的兩礦極地藍區(qū),轟擊過高層取大氣塌而發(fā)暑光,受到拆轟擊怪的不疲同元雙素的銹氣體緒發(fā)出浸的光雷的顏進色不嗓同—極光.氧—綠色雙和紅間色氮—紫色,氬—藍色auroraborealis–北極光auroraaustralis–南極光四、模帶電感粒子慘在電疲場和謀磁場刺中的錘運動駝舉例1、電瞧子比為荷（e衫/m）的生測定引言宏：電子截的電輩量和瓣質(zhì)量猶是電惕子基甩本屬擇性，乏電子判的電搭量質(zhì)開量兩擠者的滋比值(即比被荷)的測傻定有港重要勞的意朋義。18突97年J.孤J.饒Th藏om圖so缺n在卡燃文迪碌許實弦驗室箱測量息電子粒荷質(zhì)沉比，忙為此19界06年獲No順be治l物理臘獎。原理:加速匙電子從經(jīng)過弦電場羽與磁頓場區(qū)倉域發(fā)陰生偏反轉(zhuǎn)y對于轉(zhuǎn)速度障不太版大的差電子稅，現(xiàn)服代測部定值垮為2、質(zhì)譜此儀引言瘡：質(zhì)譜熊儀是虛用物吩理方認法分譜析同零位素但的儀具器，夕由英斑國物深理學(xué)舞家與觸化學(xué)腥家阿序斯頓犬于19叼19年創(chuàng)疤造，賄當(dāng)年卸發(fā)現(xiàn)敗了氯來與汞丑的同凱位素司，以饞后幾彈年又藥發(fā)現(xiàn)素了許銷多同話位素盜，特新別是嘗一些殼非放炕射性賺的同渠位素矛，為療此，畫阿斯革頓于19沫22年獲挪諾貝漠爾化矮學(xué)獎加。原理捏圖速度肢選擇沸器+從離攔子源澇出來漸的離龜子經(jīng)肥過S1、S2加速瓦進入筑電場挖和磁皇場空散間，展若粒床子帶撕正電菌荷+q，則冤電荷孤所受腫的力諷有：洛侖詞茲力捏：qv叉B電場段力張：qE若粒桐子能瘋進入替下面晚的磁熄場qv令B=qE濾速避器若每點個離諒子所軍帶電稿量相居等，足由譜不線的盞位置幅可以臺確定罰同位齊素的方質(zhì)量庫。由陸感光毯片上泛譜線凱的黑欺度，尼可以哀確定氧同位嫩素的者相對席含量衫。質(zhì)譜滾分析肢：質(zhì)量朱為m，電途量為q的帶它電粒血子抗經(jīng)過局濾速則器后才，飛照入磁眨場B’中做外圓周辰運動遮，落氏在感股光片A處，種其半并徑R為：+鍺的質(zhì)譜第一遇臺加示速器婦是美拒國物蒜理學(xué)相家勞繳倫斯尋于19聾34年研芹制成御功的踐，為乎此勞懷倫斯意于19額39年獲矮諾貝括爾物革理學(xué)鳥獎。3.回旋主加速壯器結(jié)構(gòu)屢：密封癢在真維空中堂的兩隸個金刑屬盒痛（D1和D2）放親在電喝磁鐵律兩極爭間的兩強大吹磁場焰中，屈如圖遣所示多兩盒頁之間卸有一窮窄縫兼，中兔心附間近放絡(luò)有離探子源滋。兩嗚盒間席接有廢交流腿電源夜，它晴在縫傭隙里證的交昏變電扯場用乎以加蒙速帶明電?；印Ｔ砥菏箮Ш殡娏咦釉谡妶鏊┡c磁容場作鍋用下雞，得坊以反棕復(fù)加正速達鋼到高仆能。VB交變械電場郵的周攔期恰雪好為疼回旋乒一周柔的周捕期時角即粒納子繞能過半蕩圈恰洪好電首場反穿向，住粒子腐又被細加速呢。因臉為回社旋周碰期與遺半徑趣無關(guān)諒，所愈以可驅(qū)被反這復(fù)加餡速，刪至用網(wǎng)致偏禾電極泰將其狡引出莖?；匦╊l率當(dāng)粒壟子到割達半詠圓邊盾緣時立，粒船子的架速率雖為（R0為盒庭的最淹大半職徑）粒子謙動能從原球理上躬說，猛要增率大粒成子的旋能量憶，可紫以從誓增大體電磁騾鐵的痛截面世（即溝增大叔半圓韻盒的皆面積藏）著逆手，暴但實郊際上緒這是之很困美難的舞。蘭州酬重離棕子加綠速器北京數(shù)正負浮電子謊對撞淺機合肥偵同步帶輻射態(tài)加速腫器我國孤最大蒜的三偽個加馳速器4、霍耳毀效應(yīng)18雁79年霍覺耳發(fā)苦現(xiàn)把疾一載駁流導(dǎo)音體放承在磁司場中昨，如惕果磁折場方循向與乞電流幼方向醋垂直濟，則橫在與逼磁場喚和電恩流二已者垂件直的橫方向果上出勉現(xiàn)橫龍向電握勢差租，這舌一現(xiàn)屆象稱緒之為霍耳皆效應(yīng)。相飽應(yīng)的株電勢基差稱捧為霍耳啞電壓。實驗病規(guī)律在磁羊場不目太強床時，貼霍耳丑電壓亡與電遼流I和磁冶感應(yīng)咸強度B成正環(huán)比，憐而與智導(dǎo)電絨板的構(gòu)厚度d成反紀比，慮即式中k稱為霍耳慘系數(shù)dbI霍耳芬效應(yīng)羽的經(jīng)真典解命釋++++–

––I––––+++I設(shè)其須定向漂移刻速度污為u，洛尚侖茲不力使戒載流溜子運鼻動，騙形成霍耳歸電場?；舳请妶瞿炅εc謊洛侖補茲力批平衡坊時電奧子的驕漂移供達到及動態(tài)緣瑞平衡輪，從蒜而形殘成橫甲向電潤勢差干。平衡襖時霍耳霸系數(shù)––––+++I霍耳妙效應(yīng)邁的應(yīng)丹用因為懶半導(dǎo)眠體的蒙載流匠子濃晃度小輪于金兩屬電子竭的濃慢度且釋容易姐受溫踏度、督雜質(zhì)仁的影響店，所根以霍控耳系絨數(shù)是販研究裝半導(dǎo)勞體的重目要方珠法之醉一。判定娘載流剝子類睡型測量患載流揚子濃夕度測量輪磁感叮應(yīng)強千度測量并交直尼流電堤路中驗的電墻流和芝功率詢。測量迫血流核速度19選80年，起德國童物理銷學(xué)家醫(yī)克利瓣青在班研究呆低溫享和強掛磁場瓣下半四導(dǎo)體姓的霍盲耳效匠應(yīng)時變，發(fā)叢現(xiàn)UH~B的曲劉線出瘋現(xiàn)臺符階，期而不蔥為線缺性關(guān)遭系。陳這就掉是量子刻霍耳祝效應(yīng)。為脈此克業(yè)利青蚊于19域85年獲釣得諾越貝爾罵物理駐學(xué)獎木。后來艘又發(fā)矛現(xiàn)了鐘分數(shù)下量子麥霍耳冰效應(yīng)溉。分蓬數(shù)量掏子霍思耳效比應(yīng)與邊分數(shù)警電荷棍的存吐在與員否有谷關(guān)。優(yōu)點愉是無婦機械忌損耗錦，可帥以提高肥效率效，但今目前康尚存貍在技術(shù)齒問題小有待澇解決桑。磁流晴體發(fā)耐電利用雹燃料岔燃燒蘆加熱冷氣體,在30頑00賄K高溫危下將芒發(fā)生腳電離曾，成厲為正盡、負尼離子蹈，將殖高溫概等離培子氣錯體以喉10們00m/瞎s的速歡度進掌入均曬勻磁摧場B中，根據(jù)強洛侖幫茲力顧公式+++–––高溫等離子氣+–+－I正電駕荷聚燃集在帝上板工，負枝電荷端聚集矛在下巧板，攔因而鋸可向饞外供得電。目前釣的主內(nèi)要問伏題:發(fā)電脊通道鬧效率釘?shù)?只有10％,通道喜和電逆極的洪材料都要桌求耐蛙高溫垂耐腐地蝕耐五化學(xué)慕燒蝕行等.目前字所用頁的材丟料壽騰命都莫比較短.不能濾長時痰間運蔑行.預(yù)期剝效率隸達50％(與火訂力發(fā)漫電機莖聯(lián)合).第一選臺:1歉95跳9年美網(wǎng)國阿浴夫柯瓣公司恥制造,功率11哨5k雜W最近蟲幾年受，科窮學(xué)家灣在導(dǎo)捷電流野體的汁選用濾上有北了新湊的進椒展，鄰發(fā)明獎了用綿低熔螞點的典金屬婦（如變鈉、泊鉀等產(chǎn)）作侍導(dǎo)電進流體資，在翻液態(tài)非金屬喇中加仗進易緊揮發(fā)患的流螞體（軟如甲片苯、時乙烷霧等）恭來推忙動液追態(tài)金俱屬的釀流動牽，巧教妙地救避開塞了工秘程技省術(shù)上惰一些腎難題漿，制隨造電嫁極的疲材料橋和燃才料的計研制朱方面歉也有斷了新層進展鋼。但稠想一傾下子須省錢軍省力柴地解膚決磁渠流體犬發(fā)電拳中技州術(shù)、窮材料擺等方荷面的冒所有蜜難題復(fù)是不陵現(xiàn)實忌的。太隨著養(yǎng)新的獅導(dǎo)電拼流體胡的應(yīng)愉用，喂技術(shù)愧難題綢逐步毛解決湯，磁敏流體涼發(fā)電掙的前級景還百是樂貝觀的強。在充美國勝，磁納流體杠發(fā)電悉機的程容量野已超草過32代00季0千瓦歡；日減本、收西德娃、波望蘭等正許多津國家災(zāi)都在鋒研制瞧磁流笨體發(fā)濕電機綠。我沖國也驅(qū)已研搜制出話幾臺撤不同騰形式逝的磁頑流體碑發(fā)電扁機。液態(tài)柜金屬宅波浪懸能磁橋流體感發(fā)電海洋鼠波浪彼能是蘭一種像清潔榴可再乏生能誦源，洞具有巴速度維，大蕉作用條力的賠運動隊特性踢。液猾態(tài)金傻屬磁既流體族波浪完能發(fā)刑電系單統(tǒng)是打一種鍋海洋御波浪拆能直王接發(fā)均電系產(chǎn)統(tǒng)，僻它采像用與賠波浪丘運動志特性藏相匹抵配的求液態(tài)尾金屬硬磁流恒體發(fā)抽電機。在杏該發(fā)設(shè)電系狠統(tǒng)中辮，取故消了奪復(fù)雜鋼的中蒙間轉(zhuǎn)的換機概械，喜波浪將的往桌復(fù)運慣動直違接驅(qū)休動置澆于磁山場中紐奉發(fā)電犧通道種內(nèi)部鋤的液銜態(tài)金緩屬作位往復(fù)嶺運動削，從橡而在票發(fā)電晃通道球內(nèi)部哲產(chǎn)生爹感生消電動典勢，撈連接基上負懶載就鵲可以片輸出搶電能漫。中國提領(lǐng)先依世界排的超聯(lián)導(dǎo)磁