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1、普通物理学第1页，本讲稿共36页当带电粒子沿磁场方向运动时当带电粒子沿磁场方向运动时:当当带带电电粒粒子子的的运运动动方方向向与与磁磁场场方向垂直时方向垂直时:带带电电粒粒子子所所受受洛洛伦伦兹兹力力总总是是和和带带电电粒粒子子运运动动方方向向垂垂直直，故故它它只只能能改改变变带带电电粒粒子子运运动动方方向向，不不改改变变速速度度大大小小，即即洛伦兹力不作功。洛伦兹力不作功。1.1.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动粒子作匀速直线运动。粒子作匀速直线运动。第2页，本讲稿共36页周期周期轨道半轨道半径径由由于于洛洛伦伦兹兹力力与与速速度度方方向向垂垂直直，粒粒子子在在磁磁场场中
2、中做做匀匀速圆周运动。速圆周运动。洛伦兹力为向心力洛伦兹力为向心力角频率角频率第3页，本讲稿共36页（3 3）如果如果 与与 斜交成斜交成 角角 粒子作螺旋运动，粒子作螺旋运动，半径半径螺距螺距周期周期注意注意:螺距仅与平行于磁场方向的初速度有关螺距仅与平行于磁场方向的初速度有关第4页，本讲稿共36页2.2.带电粒子在非均匀磁场中运动带电粒子在非均匀磁场中运动 带电粒子在非均匀磁场中运动时带电粒子在非均匀磁场中运动时,半径和螺距都半径和螺距都将随磁场增大而减小，将作变半径的螺旋线运动；特将随磁场增大而减小，将作变半径的螺旋线运动；特别是当粒子向磁场增强的方向运动时，粒子所受的磁别是当粒子向磁场
3、增强的方向运动时，粒子所受的磁场力场力,恒有一指向磁场较弱方向的分力恒有一指向磁场较弱方向的分力,这个分力阻止这个分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动。这样有可能使粒子带电粒子向磁场较强的方向运动。这样有可能使粒子沿磁场增强方向的速度逐渐减小到零沿磁场增强方向的速度逐渐减小到零,从而迫使粒子从而迫使粒子掉向反转运动。粒子的这种返转运动就好象光线遇到掉向反转运动。粒子的这种返转运动就好象光线遇到镜面的反射一样，所以这种装置称为镜面的反射一样，所以这种装置称为磁镜磁镜。第5页，本讲稿共36页F2F1BvFBv线圈线圈(磁镜磁镜)第6页，本讲稿共36页（磁镜）（磁镜）（磁镜）（磁镜）（2 2）磁约束
4、装置（磁瓶）磁约束装置（磁瓶）第7页，本讲稿共36页当来自外层空间的大量粒子当来自外层空间的大量粒子(宇宙射线宇宙射线)进入地球磁场进入地球磁场范围范围,粒子将绕地磁感应线作螺旋运动粒子将绕地磁感应线作螺旋运动,因为在近两极因为在近两极处地磁场增强处地磁场增强,作螺旋运动的粒子将被折回作螺旋运动的粒子将被折回,结果结果粒子粒子在沿磁感应线的区域内来回振荡在沿磁感应线的区域内来回振荡,形成一个带电粒子区形成一个带电粒子区域域,称称范艾仑辐射带范艾仑辐射带,此带相对地球作对称分布。此带相对地球作对称分布。范艾仑辐射带范艾仑辐射带：宇宙中的磁约束现象：宇宙中的磁约束现象第8页，本讲稿共36页范范艾艾
5、仑仑辐辐射射带带的的形形成成示示意意图图第9页，本讲稿共36页包围地包围地球外围球外围的范艾的范艾仑辐射仑辐射带带19581958年人造卫星的探测发现年人造卫星的探测发现,范艾仑辐射带有两层范艾仑辐射带有两层,内层在内层在距地面距地面800-4000Km800-4000Km处处,外层在外层在60000Km60000Km处。处。第10页，本讲稿共36页北极光的产生是由于有时太阳黑子活动，太阳北极光的产生是由于有时太阳黑子活动，太阳喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在地磁感喷射的高能带电粒子流形成的太阳风，在地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使
6、大气激发，然后辐射发光，从而出现美丽的北极大气激发，然后辐射发光，从而出现美丽的北极光。光。在靠近两极的一些国家和地区在靠近两极的一些国家和地区,如美国的阿拉斯加如美国的阿拉斯加,亚亚洲的西伯利亚洲的西伯利亚,欧洲的挪威、瑞典和芬兰等国家，夜欧洲的挪威、瑞典和芬兰等国家，夜晚的天空会出现五颜六色绚丽多彩的发光现象，有的晚的天空会出现五颜六色绚丽多彩的发光现象，有的呈弧形，有的呈弥漫状的斑块，有的呈大而均匀的发呈弧形，有的呈弥漫状的斑块，有的呈大而均匀的发光面等它们被统称做极光，发生在北极的称北极光，光面等它们被统称做极光，发生在北极的称北极光，发生在南极的称南极光。发生在南极的称南极光。第11
7、页，本讲稿共36页美丽的极美丽的极光光第12页，本讲稿共36页 在研究受控热核反应实验中，常常需要把等离子体约束在研究受控热核反应实验中，常常需要把等离子体约束在一定空间区域，等离子体温度高达几千万甚至几亿摄氏在一定空间区域，等离子体温度高达几千万甚至几亿摄氏度，固体材料在这样的高温下都将被汽化，因此，可以利度，固体材料在这样的高温下都将被汽化，因此，可以利用上述带电粒子在非均匀磁场运动的特点，将等离子体约用上述带电粒子在非均匀磁场运动的特点，将等离子体约束在一定的空间。下面我们将介绍一种等离体磁约束装置束在一定的空间。下面我们将介绍一种等离体磁约束装置托卡马克。托卡马克。等离子体等离子体物质
8、的第四态物质的第四态 等离子是由大量的自由带电粒子以及部分中性粒子所组等离子是由大量的自由带电粒子以及部分中性粒子所组成的体系。宏观上一般呈电中性，导电率较高，其运动形成的体系。宏观上一般呈电中性，导电率较高，其运动形式主要受电磁力支配。例如，在地球以外，围绕地球的电式主要受电磁力支配。例如，在地球以外，围绕地球的电离层、太阳及其它恒星等是天然的等离子体，而日光灯管离层、太阳及其它恒星等是天然的等离子体，而日光灯管中发光的电离气体和实验室中高温电离气体都是人造等离中发光的电离气体和实验室中高温电离气体都是人造等离子体。子体。第13页，本讲稿共36页托卡马克装置原理示意图托卡马克装置原理示意图第
9、14页，本讲稿共36页托卡马克装置剖面托卡马克装置剖面结构和工作时内部结构和工作时内部状态（上）示意图状态（上）示意图第15页，本讲稿共36页托托卡卡马马克克装装置置环环型型容容器器内内部部实实景景第16页，本讲稿共36页二、带电粒子在电磁场中的运动和应用二、带电粒子在电磁场中的运动和应用 带带有有电电荷荷量量 的的粒粒子子在在静静电电场场 和和磁磁场场 中中以速度以速度 运动时受到的作用力将是：运动时受到的作用力将是：洛伦兹洛伦兹洛伦兹洛伦兹关系式关系式关系式关系式1.1.磁聚焦磁聚焦一束速度大小相近，方向与磁感应强度夹角很小的带电粒子一束速度大小相近，方向与磁感应强度夹角很小的带电粒子流从
10、同一点出发，由于平行磁场速度分量基本相等，因而螺流从同一点出发，由于平行磁场速度分量基本相等，因而螺距基本相等，这样，各带电粒子绕行一周后将汇聚于一点，距基本相等，这样，各带电粒子绕行一周后将汇聚于一点，类似于光学透镜的光聚焦现象，称类似于光学透镜的光聚焦现象，称磁聚焦。磁聚焦。广泛应用于电真广泛应用于电真空器件中对电子的聚焦。空器件中对电子的聚焦。第17页，本讲稿共36页显象管中电子的磁聚焦装置示意图显象管中电子的磁聚焦装置示意图第18页，本讲稿共36页 回回旋旋加加速速器器是是核核物物理理、高高能能物物理理实实验验中中用用来来获获得得高高能能带带电粒子的设备，下图为其结构示意图。电粒子的设
11、备，下图为其结构示意图。2.2.回旋加速器回旋加速器D形盒形盒电磁铁电磁铁电磁铁电磁铁离子源第19页，本讲稿共36页真空室 接高频电源 离子源 D型盒引出离子束(1)(1)装置装置电磁铁电磁铁产生强大磁场产生强大磁场D D形真空盒形真空盒放在真空室内，接高频交变电压，放在真空室内，接高频交变电压，使粒子旋转加速使粒子旋转加速,(2)(2)原理原理离子源产生的带电粒子离子源产生的带电粒子经电场加速进入经电场加速进入D1 1磁场磁场使粒子在盒内做圆运动，使粒子在盒内做圆运动，带电粒子源带电粒子源产生带电粒子产生带电粒子第20页，本讲稿共36页 高频交变电源使高频交变电源使D型盒间缝隙处产生高频交变
12、电场使型盒间缝隙处产生高频交变电场使带电粒子每经过缝隙处就被加速一次。带电粒子在盒内运带电粒子每经过缝隙处就被加速一次。带电粒子在盒内运动时只受磁场作用速率不变。在一半盒内运动时间为动时只受磁场作用速率不变。在一半盒内运动时间为 该时间与运动半径无关，只要高频电源频率和带电粒该时间与运动半径无关，只要高频电源频率和带电粒子在盒内旋转频率一样，就可保证其每次经过缝隙处被加子在盒内旋转频率一样，就可保证其每次经过缝隙处被加速。速。在粒子被加速到近光速时，考虑相对论效应，粒子在盒在粒子被加速到近光速时，考虑相对论效应，粒子在盒内运动时间变长，旋转频率下降，此时使高频电场频率内运动时间变长，旋转频率下
13、降，此时使高频电场频率与带电粒子在盒内旋转频率同步变化，就仍可保证粒子与带电粒子在盒内旋转频率同步变化，就仍可保证粒子被加速，这种回旋加速器叫同步回旋加速器。被加速，这种回旋加速器叫同步回旋加速器。第21页，本讲稿共36页 回旋加速器一般用来加速质量较大的带电粒子。回旋加速器一般用来加速质量较大的带电粒子。下图下图为世界最大的回旋加速器内部情况。为世界最大的回旋加速器内部情况。第22页，本讲稿共36页倍倍恩恩勃勃立立奇奇质质谱谱仪仪结结构构示示意意图图速度选择器速度选择器离子离子源源加速电场加速电场均匀磁场均匀磁场3.3.质谱仪质谱仪第23页，本讲稿共36页质谱仪是质谱仪是质谱仪是质谱仪是利用
14、电场和磁场的各种组合达到把电荷量相同而利用电场和磁场的各种组合达到把电荷量相同而质量不同的带电粒子分开的目的，是分析同位素的重要仪质量不同的带电粒子分开的目的，是分析同位素的重要仪器，也是测定离子比荷的重要仪器。器，也是测定离子比荷的重要仪器。从离子源所产生的离子经过狭缝从离子源所产生的离子经过狭缝S1与与S2 2之间的加速电之间的加速电场后场后,进入进入P1 1与与P2 2两板之间的狭缝两板之间的狭缝,在在P1 1和和P2 2两板之间有一均两板之间有一均匀电场匀电场E,同时还有垂直向外的均匀磁场同时还有垂直向外的均匀磁场B B。带电粒子同。带电粒子同时受到方向相反的电场力和磁场力的作用，显然
15、，只有所受时受到方向相反的电场力和磁场力的作用，显然，只有所受的这两种力大小相等的粒子才能通过两板间狭缝，否则，就的这两种力大小相等的粒子才能通过两板间狭缝，否则，就落在两板上而不能通过。这一装置叫速度选择器。落在两板上而不能通过。这一装置叫速度选择器。第24页，本讲稿共36页电场力电场力磁场力磁场力当离子进入两板之间当离子进入两板之间,它它们将受到电场力和磁场力的作们将受到电场力和磁场力的作用用,两力的方向相反两力的方向相反,只有速率只有速率等于等于E/B的离子的离子,才能无偏转才能无偏转地通过两板间的狭缝沿直线运地通过两板间的狭缝沿直线运动。动。首先用互相垂直的均匀电场和均匀磁场对首先用互
16、相垂直的均匀电场和均匀磁场对带电粒子联合作用带电粒子联合作用,选择速度适宜的带电粒子。选择速度适宜的带电粒子。速度选择器原理速度选择器原理第25页，本讲稿共36页 上式中，除质量外上式中，除质量外m，其，其余均为定值，半径余均为定值，半径R 与质量与质量m 成正比，即同位素离子在磁场成正比，即同位素离子在磁场中作半径不同的圆周运动中作半径不同的圆周运动,这这些离子将按照质量的不同而分些离子将按照质量的不同而分别射到照相底片别射到照相底片AA上的不同上的不同位置位置,形成若干线谱状的细条，形成若干线谱状的细条，每一细线条代表不同的质量每一细线条代表不同的质量 。从从S0 0射出的离子进入磁感射出
17、的离子进入磁感应强度为应强度为B的磁场后的磁场后,受磁场受磁场力的作用将作圆周运动，半力的作用将作圆周运动，半径为径为 第26页，本讲稿共36页依据离子在照相底片上的位置可算出这些离子的相应质依据离子在照相底片上的位置可算出这些离子的相应质量。所以这种仪器叫质谱仪。可精确测同位素相对原子量。所以这种仪器叫质谱仪。可精确测同位素相对原子量。量。带电粒子电荷量与质量之比称做带电粒子的比荷，带电粒子电荷量与质量之比称做带电粒子的比荷，是反映基本粒子特征的重要物理量。质谱仪可测定是反映基本粒子特征的重要物理量。质谱仪可测定不同速度下的比荷不同速度下的比荷实验发现，高速情况下同一粒子比荷有所变化，这实验
18、发现，高速情况下同一粒子比荷有所变化，这是由于带电粒子质量按相对论关系变化引起的，与是由于带电粒子质量按相对论关系变化引起的，与电荷无关。这就验证了带电粒子的运动不改变其电电荷无关。这就验证了带电粒子的运动不改变其电荷量。荷量。第27页，本讲稿共36页4.4.霍耳（霍耳（E.C.Hall)E.C.Hall)效应效应 在在一一个个通通有有电电流流的的导导体体板板上上，垂垂直直于于板板面面施施加加一一磁磁场场，则则平平行行磁磁场场的的两两面面出出现现一一个个电电势势差差，这这一一现现象象是是18791879年年美美国国物物理理学学家家霍霍耳耳发发现现的的，称称为为霍霍耳耳效效应应。该该电电势势差差
19、称称为为霍霍耳电势差耳电势差 。半导体半导体金属金属第28页，本讲稿共36页 实实验验指指出出，在在磁磁场场不不太太强强时时，霍霍耳耳电电势势差差 U与与电电流流强强度度I I和磁感应强度和磁感应强度B成正比，与板的宽成正比，与板的宽d成反比。成反比。RH称为霍耳系数，仅与材料有关。称为霍耳系数，仅与材料有关。原理原理霍尔效应是由于导体中的载流子在磁场中受到洛仑兹霍尔效应是由于导体中的载流子在磁场中受到洛仑兹力的作用发生横向漂移的结果。下面以金属导体为例，力的作用发生横向漂移的结果。下面以金属导体为例，来说明其原理来说明其原理第29页，本讲稿共36页12其中载流子是电子，运动方向与电流流向相反
20、，如其中载流子是电子，运动方向与电流流向相反，如果在垂直于电流方向加一均匀磁场，这些自由电子果在垂直于电流方向加一均匀磁场，这些自由电子受洛仑兹力的作用，大小为受洛仑兹力的作用，大小为EH第30页，本讲稿共36页12EH洛仑兹力向上，使电子向上漂移，使得金属薄片上侧洛仑兹力向上，使电子向上漂移，使得金属薄片上侧有多余负电荷积累，下侧缺少负电荷，有多余正电荷有多余负电荷积累，下侧缺少负电荷，有多余正电荷积累，结果在导体内形成附加电场，称霍尔电场。此积累，结果在导体内形成附加电场，称霍尔电场。此电场给电子电场力与洛仑兹力反向，大小为电场给电子电场力与洛仑兹力反向，大小为当当F Fe e=F FH
21、H 时不再有飘移，载流子正常移动。时不再有飘移，载流子正常移动。第31页，本讲稿共36页所以此时霍尔电场为所以此时霍尔电场为所以霍尔电势差为所以霍尔电势差为当Fe=FH 时导体中单位体积内的带电粒子数为导体中单位体积内的带电粒子数为n，则通过导体电流，则通过导体电流代入上式得代入上式得霍尔系数为霍尔系数为又又若载流子为带正电的若载流子为带正电的q q则霍尔系数为则霍尔系数为第32页，本讲稿共36页霍尔效应的应用霍尔效应的应用2、根据霍耳系数的大小的测定，、根据霍耳系数的大小的测定，可以确定载流子的浓度可以确定载流子的浓度n型半导体载流子为型半导体载流子为电子电子p型半导体载流子为型半导体载流子
22、为带正电的空穴带正电的空穴1、确定半导体的类型、确定半导体的类型 霍耳效应已在测量技术、电子技术、计算技术等霍耳效应已在测量技术、电子技术、计算技术等各个领域中得到越来越普遍的应用。各个领域中得到越来越普遍的应用。3 3、磁流体发电、磁流体发电第33页，本讲稿共36页电极发电通道导电气体磁流体发电磁流体发电导电气体导电气体发电通道发电通道电极电极磁流体发电原理图磁流体发电原理图 使高温等离子体（导电使高温等离子体（导电流体）以流体）以1000ms1000ms-1-1的高速的高速进入发电通道（发电通进入发电通道（发电通道上下两面有磁极），道上下两面有磁极），由于洛仑兹力作用，结由于洛仑兹力作用，
23、结果在发电通道两侧的电果在发电通道两侧的电极上产生电势差。不断极上产生电势差。不断提供高温高速的等离子提供高温高速的等离子体，便能在电极上连续体，便能在电极上连续输出电能。输出电能。第34页，本讲稿共36页理论曲线理论曲线 量子霍耳效应量子霍耳效应B崔琦、施特默：更强磁场崔琦、施特默：更强磁场下下 克里青：半导体在低温克里青：半导体在低温强磁场强磁场 m=1=1、2 2、3 3、19851985年年 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 1998年年 诺贝诺贝尔物理奖尔物理奖实验曲线实验曲线物理物理知识知识第35页，本讲稿共36页选择进入下一节选择进入下一节88-0 0 教学基本要求教学基本要求8-1 恒定电流恒定电流8-2 磁感应强度磁感应强度8-3 毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律8-4 稳恒磁场的高斯定理与安培环路定理稳恒磁场的高斯定理与安培环路定理8-5 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动8-6 磁场对载流导线的作用磁场对载流导线的作用8-7 磁场中的磁介质磁场中的磁介质8-8 有磁介质时的安培环路定理有磁介质时的安培环路定理 磁场强度磁场强度8-9 铁兹质铁兹质 第36页，本讲稿共36页