带电粒子在电场和磁场中的运动

*,第七章 恒定磁场,7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动,物理学,第五版,*,1-0 第一章教学基本要求,物理学,第五版,一 带电粒子在电场和磁场中所受的力,电场力,磁场力,（洛伦兹力）,+,2）,洛仑兹力作不作功,？,问,1）,负电荷所受的,洛仑兹力方向,？,1,二 带电粒子在磁场中运动举例,粒子做匀速直线运动,+,q,运动电荷在磁场中所受的磁场力,洛仑兹力,:,.,运动电荷在电场和磁场中受的力,2,1,. 回旋半径和回旋频率,.,3,2,. 电子的反粒子 电子偶,显示正电子存在的云室照片及其摹描图,铅板,正电子,电子,1930年狄拉克预言自然界存在正电子,4,电子偶：,理论和实验都表明，正电子总是伴随着电子一起出现的，犹如成对成双的配偶，故称之为电子正电子偶，简称电子偶或电子对。,(电子对的湮灭),（电子对的生成）,5,银河系中央，物质与反物质湮灭时产生的射线爆,康普顿卫星1997年摄。,反物质引发的大爆炸,6,3,磁聚焦,（,洛伦兹力不做功,）,洛伦兹力,与 不垂直,螺距,7,h,B,螺距,d,与,v,无关，只与,v,/,成正比，若各粒子的,v,/,相同，则其螺距是相同的，每转 一周粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现,磁聚焦。,8,应用,电子光学,电子显微镜等,.,以上都是均匀磁场，如果,是非均匀磁场,中将有以下应用：,9,磁约束,如果上述纵向磁场是,不均匀的，那么带电粒,子在磁场中的,都沿着场强增强方向越来越小,。,同时，并恒受到一个指向磁场较弱的方向的作用力，结果使得粒子向着磁场增强方向上的运动被完全抑止（即带电粒子沿轴向作减速运动），而被迫返转就像光线遇到镜面被反射回来一样。,10,如果使磁场的分布是中间弱两端强，那么粒子束就只能被约束在一定的空间来回振荡这就是所谓,磁塞效应，或磁镜效应,。,在受控热核反应装置中，一般都采用这种磁场把等离子体约束在一定的范围内。因为此时等离子气体的温度高达成,10,7,10,8,K,，没有一个有形的容器能把这样高温的气体容纳住，只有用磁约束的方法来约束它们。,11,12,资料表明：有机燃料（石油、煤、天燃气）只够再用几百年；核裂变材料也只够用,12,千年；而蕴藏在海水中的核聚变材料重氢，却可用,10,11,年，与宇宙年龄同样长。,13,范阿仑辐射带,上述磁约束现象也存在于宇宙空间。例如地球的磁场分布就是两极强中间弱。,当外层空间运动的大量带电粒子（宇宙射线）进入地磁范围，它们就绕磁感应线作螺旋线运动。由于在近地极处磁场增强，作螺旋线运动的粒子将被折回，结果在沿磁感应线的区域内来回振荡，形成,范阿仑辐射带,。,14,带电粒子在磁场中的作用,范阿仑辐射带的存在，可以阻止太阳风中的高能粒子对生命的破坏。,15,行星磁场的产生要有两个条件。其一，要有足够大的热内核；其二，要有足够快的自转速度。,火星,的自转速度虽然较大，但热内核太小；,金星,的热内核虽然够大，但自转速度又太慢，因此它们的磁场几乎为零。由于它们没有范阿仑辐射带对高能粒子的约束，这两个与地球的物理条件相似的星球上没有生命，这也是原因之一。,16,霍 耳 效 应,4 .,霍耳效应,17,I,霍耳电压,霍耳系数,+,+ + +,+,+,- - - - -,18,I,+,+ + +,- - -,P,型半导体,+,-,霍耳效应的应用,1,）,判断半导体的类型,+ + +,- - -,N,型半导体,-,I,+,-,由,U,H,的正负就可知道半导体的类型。,19,A、测量微弱的磁场强度,高斯计,利用此原理制成高斯计测量外界磁场。探头用霍耳元件制成，通过测量,U,H,，折算成,B,。,2）用作传感器,探头,20,B、测量大电流-几万安培,B,I,用霍耳元件测量大电流周围的磁场，可推算出动力线中流过的电流,I,再由无限长电流,I,与,B,之间的关系可知,I,。,21,磁流体发电,气体在3000K,高温下将发生电离，成为正、负离子，将高温等离子气体以1000m/s的速度进入均匀磁场B中，,根据洛仑兹力公式,+ + +, ,高温等离子气,+,+,I,正电荷聚集在上板，负电荷聚集在下板，因而可向外供电。,22,由,这一比值具有电阻的量纲，因而被定义为霍耳电阻,R,H,。此式表明霍耳电阻正比于磁场,B,。,1980年，在研究半导体在极低温下和强磁场中的霍耳效应时，德国物理学家克里青发现霍耳电阻和磁场的关系不是线性的，而是一系列台阶式的改变。,量子霍尔效应,（,1980,年）,23,霍耳电阻,这一效应即为量子效应，克里青因此而获,1985年诺贝尔物理学奖,。,24,克里青当时测得式中的,n,只能为整数，其后美籍物理学家崔琦等在研究更强磁场作用下的霍耳效应时，发现,n,还可以为分数，如13，15，12，14等，,这种现象叫,分数量子霍耳效应,。他们为此获得1988年的诺贝尔物理学奖。,25,1998年诺贝尔物理学奖获得者之,崔琦,美籍华人,Daniel C. Tsui,1939 生于河南,分数量子霍尔效应,26,