0704磁场对运动电荷的作用解读Word文档格式.docx
《0704磁场对运动电荷的作用解读Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《0704磁场对运动电荷的作用解读Word文档格式.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
mv2带正电q的粒子以速度v进入均匀磁场B，在磁场中作圆周运动，满足：
qvB=R
回旋半径——R=v（）Bm
qm
q）m带电粒子的荷质比——圆周运动的角频率：
ω=B（
回旋周期：
T=2π
ω=2π——与粒子速度大小无关（q/m）B
如图XCH006_109_01和02所示是宇宙射线进入云室的轨迹，根据磁场的方向和射线偏转的方向，确定出射线带正电，安德森1932发现了正电子。
π带电粒子以速度v（θ≠）射入均匀磁场B2
将速度在磁场方向和垂直于磁场方向分解：
v=v//+v⊥
洛伦兹力：
Fm=qv⊥⨯B——Fm⊥v⊥,B
——粒子在平行于磁场方向上的运动不受磁场力的影响
——在垂直于磁场方向作圆周运动
——粒子的运动轨迹为螺旋曲线。
如图XCH003_099所示
REVISEDTIME:
10-5-23-1-CREATEDBYXCH
2mv螺旋线的半径：
Fm=qv⊥B=R
R=mv⊥mvsinθ=qBqB
2π回旋周期：
T=ω=2π（）Bm
螺距：
h=v//T=
磁聚焦2πmvcosθqB
如图XCH003_100所示，设想A发出一束很窄的带电粒子流，且有相同质量、电量和相近的速率
⎧v//=vcosθ≈vθ很小——有⎨θθv=vsin≈v⎩⊥
在磁场的作用下，这些粒子沿不同半径螺旋线前进，具有接近的螺旋距。
螺旋线半径：
R=
螺旋距：
h=mv⊥mvθ≈qBqB2πmv//2πmv≈qBqB
带电粒子束经过h后聚焦在A'
——磁聚焦
2带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中作螺旋运动的半径：
R=mv⊥qB
磁感应强度越大，螺旋运动的半径越小，所以在非均匀磁场中，带电粒子作螺旋运动的半径随着磁感应强度的增加而减小，带电粒子受到的洛仑兹力恒有一个指向磁感应强度较弱方向的分量，这个分量力使带电粒子沿磁感应强度较大方向上作减速运动。
如图XCH003_101所示
磁约束
如图XCH003_102所示，在通有电流的两个共轴小线圈之间，带电粒子绕着磁感应强度线作来回震荡，称为磁约束，将这种磁场分布称为磁镜。
10-5-23-2-CREATEDBYXCH
范艾仑辐射带
如图XCH003_103所示，地磁场将宇宙射线中的质子和电子俘获后，在地球上空形成辐射带，称为范艾仑辐射带。
——地面上空800km到4000km为质子形成的内层辐射带
——60000km处为电子形成的外层辐射带
在地磁两极附近，由于磁场与地面垂直，由外层空间入射的带电粒子直接入射高空大气层，与空气分子碰撞产生的辐射形成了绚丽多彩的极光。
3霍耳效应
如图XCH007_008所示，将导体置于xy平面，电流沿x方向，磁场垂直于半导体片沿z方向。
载流子受到的洛伦兹力：
F=qv⨯B——Fy=-qvxBz
在导体的两端形成正负电荷的积累，产生静电场Ey
达到稳恒后，满足：
qEy=qvxBz
电流密度：
jx=nqvx——电场强度：
Ey=
霍尔电压：
U=1jxBznqdjxBz——d为导体y方向的厚度nq
1——霍耳系数nq
如果是电子导电的N半导体：
Ey=-1jxBz——如图XCH007_008_01所示
nq
10-5-23-3-CREATEDBYXCH
大学物理教程_徐江荣_第七章真空中的稳恒磁场_201005141）半导体的霍耳系数与载流子浓度成反比,所以半导体的霍耳效应比金属强得多2）由测量霍耳系数可以直接测得载流子浓度,并且可以确定载流子的种类;
霍耳系数为正:
空穴导电,霍耳系数为负,电子导电用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感,结构简单,体积小,频率响应宽,输出电压变化大和使用寿命长等优点,将其广泛应用于电磁测量,非电量测量,自动控制,计算与通讯装置中.4回旋加速器利用磁场使带电粒子作回旋运动,在运动中经高频电场反复加速——高能物理的重要仪器1930年E.O.劳伦斯提出其工作原理,1932年首次研制成功结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置,D形盒上加交变电压,其间隙处产生交变电场.置于中心的粒子源产生带电粒子射出来,受到电场加速,在D形盒内不受电场,仅受磁极间磁场的洛伦兹力,在垂直磁场平面内作圆周运动半径:
RmvqB绕行半圈的时间:
tRvmqB如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率,则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号,粒子仍处于加速状态.由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关,因此粒子每绕行半圈受到一次加速,绕行半径增大.经过很多次加速,粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出,能量可达几十兆电子伏特（MeV）.引出粒子的速度:
vq1q222BR——粒子的动能:
Ekmv2BR22mm回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应,粒子的质量增大,粒子绕行周期变长,从而逐渐偏离了交变电场的加速状态.当粒子的速度接近光速:
mm0v1（）2c在D形半盒中运动所需的时间:
tmqBqBm0v1（）2c因此必须使交变电场的频率随粒子加速过程同步变化——同步回旋加速器REVISEDTIME:
10-5-23-4-CREATEDBYXCH
交变电场的频率：
ν=1=——频率同步降低2t目前欧洲最大的加速器加速粒子的能量可达400GeV
目前美国最大的加速器加速粒子的能量可达500GeV
5质谱仪
在真空中将物质气化、电离成离子束，经电压加速和聚焦，然后通过磁场电场区，不同质量的离子受到磁场电场的偏转不同，聚焦在不同的位置，从而获得不同同位素的质量谱。
质谱方法最早于1913年由J.J.汤姆孙确定，以后经F.W.阿斯顿等人改进完善。
现代质谱仪经过不断改进，仍然利用电磁学原理，使离子束按荷质比分离。
质谱仪最重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。
测定原子质量的精度超过化学测量方法，大约2/3以上的原子的精确质量是用质谱方法测定的。
由于质量和能量的当量关系，由此可得到有关核结构与核结合能的知识。
对于可通过矿石中提取的放射性衰变产物元素的分析测量，可确定矿石的地质年代。
质谱方法还可用于有机化学分析，特别是微量杂质分析，测量分子的分子量，为确定化合物的分子式和分子结构提供可靠的依据。
由于化合物有着像指纹一样的独特质谱，质谱仪在工业生产中也得到广泛应用。
如图XCH003_110所示,离子源产生的粒子通过电场S1andS2加速后进入离子速度选择器，离子通过选择器进入B2磁场的速度大小满足：
qE=qvB1，v=
EB1
离子在B2均匀磁场中作圆周运动圆周半径：
R=v
（）B2m，R=E（）B1B2m荷质比：
qE——根据底片上谱线的位置，计算出半径R，得到各种同位素的荷质比=mRB1B20如图XCH003_111所示，在一个顶点为30的扇形区域，有磁感应强度为B，方向垂直于纸面的均匀磁场。
一个质量为m、电量为-e的电子在底边距离顶点O为l的地方，以垂直底边的速度v射入扇形区域。
如果电子不从上面边界跑出，问电子的最大速度为多少？
电子在均匀磁场中作圆周运动，电子不从上面边界跑出，电子运动的圆周轨迹必须与上面边界相切。
最大轨道半径满足：
R=（l+R）sin30——R=l0
v2
电子在均匀磁场中作圆周运动，满足：
evB=mR
电子速度v=eRBelB——电子的最大速度：
vmax=
mm
10-5-23-5-CREATEDBYXCH
升级会员 