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1、运动电荷在磁场中受力第1页，本讲稿共29页一、运动电荷在磁场中受力一、运动电荷在磁场中受力-洛伦兹力洛伦兹力 由实验知电量为由实验知电量为 q 电荷在磁场中受到电荷在磁场中受到的洛仑兹力：的洛仑兹力：各量均取各量均取SI制中的单位。制中的单位。考虑方向，可以写成：考虑方向，可以写成：第2页，本讲稿共29页方向方向:q 0q fL 粒子粒子向左向左偏转被偏转被左极板吸收。左极板吸收。+-vE速速速速度度度度选选选选择择择择器器器器FefLB第11页，本讲稿共29页 当粒子速度当粒子速度 v较较大时，大时，Fe fL，粒子，粒子向右偏转被右极板向右偏转被右极板吸收。吸收。+-vE速速速速度度度度选
2、选选选择择择择器器器器FefLB 当粒子速度当粒子速度 v 使使电场力等于洛伦兹力时，电场力等于洛伦兹力时，粒子竖直向下运动穿过狭缝；通过调整粒子竖直向下运动穿过狭缝；通过调整 E 和和 B 可选择粒子速度。可选择粒子速度。第12页，本讲稿共29页RB粒子以速度粒子以速度v 垂直垂直进进入下方磁场入下方磁场 B+-vE速速速速度度度度选选选选择择择择器器器器FefLB在在 B 中作圆周运动中作圆周运动的轨道半径为：的轨道半径为：第13页，本讲稿共29页可知：对于同位素粒子可知：对于同位素粒子m大，大，R 大；大；m小，小，R小小质谱线质谱线RB胶片屏胶片屏+-vE速速速速度度度度选选选选择择择
3、择器器器器FefLB这样，不同质量的粒子这样，不同质量的粒子在胶片屏上留下不同的在胶片屏上留下不同的痕迹痕迹质谱线。质谱线。根据质谱线的位置，可推根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。出同位素的质量。第14页，本讲稿共29页19891989年建成的具有世界先进水平的北京正年建成的具有世界先进水平的北京正负电子对撞机直线加速器负电子对撞机直线加速器第15页，本讲稿共29页3 3、回旋加速器、回旋加速器 用于产生高能粒用于产生高能粒子的装置，其结构子的装置，其结构为金属双为金属双 D 形盒，形盒，在其上加有磁场和在其上加有磁场和交变的电场。将一交变的电场。将一粒子置于双粒子置于双 D形盒形盒的缝隙
4、处，在电场的缝隙处，在电场的作用下，进入左的作用下，进入左半盒半盒，播放动画播放动画第16页，本讲稿共29页由于金属具有静电屏由于金属具有静电屏蔽作用，带电粒子在蔽作用，带电粒子在磁场的作用下作圆周磁场的作用下作圆周运动，进入缝隙后，运动，进入缝隙后，电场极性变换，粒子电场极性变换，粒子被反向加速，被反向加速，进入右半盒，由于速度增加，轨道半径也进入右半盒，由于速度增加，轨道半径也增加。然后又穿过缝隙，电场极性又变换，增加。然后又穿过缝隙，电场极性又变换，粒子不断地被加速。粒子不断地被加速。播放动画播放动画第17页，本讲稿共29页能量不断增大，成为高能粒子后引出轰击靶。能量不断增大，成为高能粒
5、子后引出轰击靶。B第18页，本讲稿共29页出射粒子的速度由出射粒子的速度由有有动能为：动能为：第19页，本讲稿共29页 目前世界上最大的回目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径实验室，环形管道的半径为为2公里。产生的高能粒子公里。产生的高能粒子能量为能量为5000亿电子伏特。亿电子伏特。世界第二大回旋加速器世界第二大回旋加速器在欧洲加速中心，加速器分在欧洲加速中心，加速器分布在法国和瑞士两国的边界，布在法国和瑞士两国的边界，加速器在瑞士，储能环在法加速器在瑞士，储能环在法国。产生的高能粒子能量为国。产生的高能粒子能量为280亿电子伏特。亿电子伏特。
6、第20页，本讲稿共29页 回旋加速器回旋加速器 国际粒子探测中心的粒子探测器国际粒子探测中心的粒子探测器第21页，本讲稿共29页六、霍尔效应六、霍尔效应 1.原因原因:是由于是由于运动电荷在磁场运动电荷在磁场中受洛伦兹力的中受洛伦兹力的结果。结果。载流导体的宽为载流导体的宽为 b，厚为厚为 d。通有。通有电流电流 I。IvBbdfLVHq 载流导体放入磁场载流导体放入磁场 B 中，在导体上下两表中，在导体上下两表面产生霍尔电压的现象。面产生霍尔电压的现象。第22页，本讲稿共29页 载流导体中的运动电荷在洛伦兹力的作用载流导体中的运动电荷在洛伦兹力的作用下，向上偏转，在导体的上表面积累了正电荷，
7、下，向上偏转，在导体的上表面积累了正电荷，下表面感应出负下表面感应出负电荷，在上下两电荷，在上下两面间形成电场面间形成电场 E，出现霍尔电压出现霍尔电压 VH。带电粒子还受带电粒子还受到向下的电场力。到向下的电场力。IvBbdfLVHqFeE第23页，本讲稿共29页IvBbdfLVHE其中其中由由有有当电场力与洛伦兹力平衡时，当电场力与洛伦兹力平衡时，VH 稳定。稳定。Fe第24页，本讲稿共29页其中：其中：定义：定义：为霍尔系数。为霍尔系数。IvBbdfLVHEFe则：则：第25页，本讲稿共29页2.讨论讨论1.由于导体内有大量的自由电荷，由于导体内有大量的自由电荷，n 较大，较大，RH 较
8、小，故导体的霍尔效应较弱。较小，故导体的霍尔效应较弱。2.而半导体界于导体与绝缘体之间，其内而半导体界于导体与绝缘体之间，其内的自由电荷较少，的自由电荷较少，n 较小，较小，RH 较大，故半较大，故半导体的霍尔效应显著。导体的霍尔效应显著。第26页，本讲稿共29页3.霍尔效应的应用霍尔效应的应用 测量半导体的性质测量半导体的性质 半导体根据掺杂不同，有空穴型（半导体根据掺杂不同，有空穴型（p型）型）半导体，和电子型（半导体，和电子型（n型）半导体。型）半导体。P型半导体的主要载流子为正电荷；型半导体的主要载流子为正电荷；n型半导体的主要载流子为负电荷；型半导体的主要载流子为负电荷；第27页，本讲稿共29页P 型半导体型半导体n 型半导体型半导体fLvvfL由由 VH 的正负就可知道半导体的类型。的正负就可知道半导体的类型。IVHBBVHI第28页，本讲稿共29页 测量磁场测量磁场由由可知可知利用此原理制成高斯利用此原理制成高斯计测量外界磁场。探计测量外界磁场。探头用霍尔元件制成，头用霍尔元件制成，通过测量通过测量 VH，折算，折算成成 B。探头探头高高斯斯计计第29页，本讲稿共29页